Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий

Предполагаемое изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано при определении таких теплофизических характеристик (ТФХ) строительных материалов и изделий, как коэффициенты тепло- и температуропроводности.

Известен способ неразрушающего контроля комплекса ТФХ твердых строительных материалов [см., например, патент РФ №2263901, кл. G01N 25/18, 2004 г.], состоящий в нагреве исследуемого образца в виде призмы прямоугольного сечения путем подвода тепла к ее поверхности, измерении температуры и плотности теплового потока на этой же поверхности, определении искомых теплофизических характеристик по соответствующим зависимостям.

Недостатками данного способа являются ограниченность функциональных возможностей, обусловленная необходимостью изготовления из строительных материалов и изделий образцов в виде призмы квадратного сечения (параллелепипеда), это возможно только при нарушении целостности и эксплуатационных характеристик исследуемых изделий, малая точность измерения теплопроводности из-за влияния собственной теплоемкости нагревателя и неучтенных тепловых потерь с поверхности исследуемого изделия в окружающую среду.

Известен способ определения ТФХ строительных материалов [см., например, патент РФ №2399911 G01N 25/18, 2010 г.], состоящий в нагреве исследуемого образца в виде призмы квадратного сечения (параллелепипеда) через неизолированную торцевую грань воздействием высокочастотного электромагнитного поля (СВЧ-излучением) от переменно-фазовой многощелевой антенны, при этом одну из торцевых и все боковые грани исследуемого, образца теплоизолируют от окружающей среды, постепенно увеличивают мощность электромагнитного СВЧ-излучения и контролируют изменение температуры на свободной от теплоизоляции грани и противоположной относительно нее торцевой грани исследуемого образца, определяют значение мощности СВЧ-излучения, при котором прекращается изменение температуры в контролируемых точках, измеряют установившиеся значения температур в контролируемых точках образца, а также температуру окружающей среды и мощность отраженного от поверхности грани СВЧ-излучения и по измеренным данным на основе полученных математических соотношений определяют искомые теплофизические характеристики. Во втором варианте данного способа осуществляют симметричный нагрев образца в виде призмы через торцевые противоположные грани с теплоизолированными боковыми гранями призмы воздействием СВЧ-излучения от двух переменно-фазовых многощелевых антенн, постепенно увеличивают мощность электромагнитного СВЧ-излучения, контролируют изменение температуры на свободных от теплоизоляции гранях и в среднем сечении исследуемого образца в виде призмы и определяют значение мощности СВЧ-излучения, при котором прекращается изменение температуры в контролируемых точках, измеряют установившиеся значения температур в контролируемых точках образца, а также температуру окружающей среды и мощность отраженного от поверхностей граней СВЧ-излучения и по измеренным данным на основе полученных математических соотношений определяют искомые ТФХ.

Недостатками данного способа также являются необходимость в разрушении исследуемых изделий с целью изготовления образцов в виде призмы квадратного сечения (параллелепипеда) для контроля искомых теплофизических характеристик и низкая точность измерения ТФХ из-за влияния на результаты неучтенных тепловых потерь с поверхности исследуемых образцов в окружающую среду, величина которых пропорциональна времени эксперимента.

За прототип взят способ неразрушающего контроля ТФХ строительных материалов и изделий [пат. 2399911 РФ, МПК G01N 25/18], состоящий в воздействии на исследуемый объект импульсом высокочастотного электромагнитного поля (СВЧ-излучения) по линии, нагреве исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела по плоскости, перпендикулярной внешней поверхности тела и уходящей внутрь этого тела. Для организации такого воздействия электромагнитное излучение рупорной антенны СВЧ генератора фокусируют линзой из диэлектрического материала в линию заданных параметров. Величина длины линии микроволнового воздействия задается на порядок больше, чем расстояния от этой линии до точек контроля температур, чтобы концевые эффекты, обусловленные ограниченностью длины линии теплового воздействия, не влияли на контролируемое температурное поле, а величина ширины линии определяется минимально возможной разрешающей способностью фокусировки СВЧ-излучения в линию, которая зависит от длины волны излучения, расстояния от линзы до поверхности исследуемого изделия и ряда других параметров.

Недостатком способа-прототипа является малая точность определения искомых ТФХ из-за необходимости измерять низкие по уровню избыточные температуры в теплофизическом эксперименте, обусловленной одноимпульсным тепловым воздействием на исследуемые объекты, мощность которого ограничена сверху температурой термодеструкции исследуемых материалов. Кроме того, при воздействии одним тепловым импульсом ограниченной мощности прогревается небольшой объем исследуемого строительного материла (приповерхностный слой), что снижает также точность и достоверность получаемых результатов, так как из-за неоднородности, дисперсности, анизотропии и т.д. строительных материалов для получения достоверных результатов необходимо прогревать большой объем исследуемых материалов и использовать усредненную по этому объему измерительную информацию (температуру) для определения искомых ТФХ.

Техническая задача предполагаемого изобретения - повышение точности определения искомых ТФХ строительных материалов и изделий.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе неразрушающего контроля ТФХ строительных материалов и изделий, состоящем в нагреве исследуемых объектов воздействием импульса СВЧ-излучения, сфокусированного в линию заданных размеров линзой из радиопрозрачного диэлектрического материала, измерении избыточной температуры на теплоизолированной от окружающей среды поверхности исследуемого объекта в двух точках, находящихся на заданных расстояниях х₁ и x₂ от линии электромагнитного воздействия и определении искомых теплофизических характеристик по полученным математическим соотношениям, на поверхность исследуемого объекта воздействуют электромагнитным полем СВЧ диапазона с частотой не менее 20 ГГц, причем в начале воздействуют одиночным тепловым импульсом мощностью q_и, которая задается временем подачи электромагнитного поля СВЧ-излучения указанной частоты, затем определяют интервал времени τ_рел от начала теплового воздействия до момента времени, когда температура в точке контроля х₁ станет равной первоначальной температуре Т₀=ε, где ε - чувствительность контрольно-измерительной аппаратуры, затем определяют минимальную частоту подачи импульсов СВЧ-излучения на исследуемый объект из соотношения , где k - коэффициент, задаваемый в диапазоне от 2 до 5, далее воздействуют на исследуемый объект импульсами заданной мощности q_и, увеличивая частоту их подачи по закону где ΔT(τ)=Т_зад-Т(τ) - разность между наперед заданным значением Т_зад и текущим значением контролируемой температуры; ΔT_i=Т_зад-T(τ_i) - разность между заданной и текущей температурой в моменты времени, определяемые соотношением , где K₁÷K₄ - коэффициенты пропорциональности, значения которых определяются экспериментально на эталонных изделиях, либо задаваемые соответственно в диапазоне K₁=1÷10; K₂=1÷100; K₃=1÷50; K₄=0,1÷1, увеличение частоты подачи тепловых импульсов осуществляют до тех пор, пока установившееся значение контролируемой температуры в точке x₁ станет равным наперед заданному значению Т_зад, определяют при этом частоту следования тепловых импульсов F_x, при этом измеряют также установившуюся избыточную температуру Т_изм в точке контроля х₂ на поверхности исследуемого объекта, а искомые теплофизические характеристики определяют по полученным математическим зависимостям.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Поскольку традиционные строительные материалы (кирпич, бетон, пенобетон, керамзитобетон и т.д.) являются диэлектриками, то под воздействие высокочастотного электромагнитного излучения СВЧ-диапазона они нагреваются и удельная мощность рассеяния в исследуемом объекте в соответствии с работой [Пюшнер, Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот / Г. Пюшнер. - М.: Энергия, 1968. - 312 с.] определяется выражением:

где Е - напряженность переменного электрического поля, ƒ - частота СВЧ-излучения, ε_м - диэлектрическая проницаемость исследуемого материала.

Из теории распространения электромагнитных волн микроволнового диапазона известно, что электромагнитная волна в диэлектрике ослабляется в направлении распространения в соответствии с зависимостью:

где α - коэффициент затухания, определяемый по формуле:

где γ - длина волны, и - действительная и мнимая составляющие диэлектрической проницаемости смеси (вода + исследуемый материал).

Анализ соотношений (1) и (2) показал, что глубина проникновения электромагнитного поля СВЧ-диапазона, а, следовательно, и скорость рассеяния (потерь) по глубине диэлектрика в наибольшей степени зависит от частоты СВЧ-излучения. На фиг. 1 показано, как зависит глубина проникновения электромагнитных волн от частоты СВЧ-излучения, а, следовательно, и глубина тепловыделяющей области от частоты излучения СВЧ-генератора при воздействии на традиционные строительные материалы, например, пенобетон, известной влажности. На основании проведенных расчетов и полученных результатов (графиков) можно сделать вывод, что при воздействии на исследуемые строительные материалы электромагнитным излучением СВЧ-диапазона в виде круга с частотой не менее 10 ГГц практически вся тепловая мощность выделяется в поверхностном слое глубиной 1-2 мм.

В начале воздействуют на поверхность исследуемого объекта импульсом длительностью 2-3 секунды высокочастотного электромагнитного поля (СВЧ-излучения) частотой не менее 20 ГГц по линии, длина которой задается не менее 8-10 см, а ширина около 0,2 см. Величина длины линии микроволнового воздействия задается на порядок больше, чем расстояния от этой линии до точек контроля температур, чтобы концевые эффекты, обусловленные ограниченностью длины линии теплового воздействия, не влияли на контролируемое температурное поле (фиг. 2).

В целях получения максимально узкой диаграммы направленности и улучшения характеристик антенны (для выравнивания фазы в раскрыве рупора), в нее встроена линза из радиопрозрачного диэлектрического материала. Данное техническое решение позволяет получить антенну с заданной диаграммой направленности.

Нагрев исследуемого объекта 1 осуществляют импульсным воздействием высокочастотного электромагнитного поля по линии 2 длительностью 2-3 секунд от излучающей антенны 3 с вмонтированной в нее линзой 4 и соединенной с СВЧ-генератором 5 (см. фиг. 2).

После подачи импульса заданной мощности определяют интервал времени τ_рел от начала воздействия импульса СВЧ-излучения до момента времени, когда температура в точке контроля на заданной расстоянии х₁ от линии действия СВЧ-импульса (см. фиг. 2) станет равной первоначальной температуре Т₀±ε, где ε - чувствительность измерительной аппаратуры, т.е. определяют время релаксации температурного поля в точке х₁ (см. фиг. 3а).

Затем определяют минимальную частоту подачи импульсов СВЧ-излучения на исследуемый объект из соотношения , где k - коэффициент, задаваемый в диапазоне от 2 до 5, τ_рел - интервал времени от момента нанесения теплового импульса до момента, когда избыточная температура в точке контроля станет равной порогу чувствительности контрольно-измерительной аппаратуры. Осуществляют тепловое воздействие от линейного источника тепла, увеличивая частоту тепловых импульсов в соответствии с законом

где ΔТ(τ)=Т_зад-Т(τ) - разность между наперед заданным значением Т_зад и текущим значением контролируемой температуры; ΔT_i=Т_зад-T(τ_i) - разность между заданной и текущей температурой в моменты времени, определяемые соотношением , где K₁÷K₄ - коэффициенты пропорциональности, значения которых определяются экспериментально на эталонных изделиях, либо задаваемые соответственно в диапазоне K₁=1÷10; K₂=1÷10; K₃=1÷50; K₄=0,1÷1. Значение коэффициента K₄ определяет частоту вычисления разности ΔT_i между наперед заданной температурой Т_зад и текущей избыточной температурой в точке контроля, K₄ - коэффициент, значение которого задают от 0,1 до 5, причем для материалов с большой теплопроводностью значение K₄ целесообразно брать <1, а для теплоизоляторов - >1, т.к. в первом случае теплограмма нагрева изменяется динамичнее и для определения равенства установившейся температуры заданному значению необходимо чаще определять ΔT_i, а при исследовании же теплоизоляционных материалов температурно-временные изменения в исследуемом теле происходят менее динамично, вследствие чего определять разность ΔT_i можно через большие интервалы времени. Как показали эксперименты, коэффициенты K₂ и K₃ целесообразно задавать соответственно в диапазоне от 0,2 до 5 и от 10 до 50, причем для материалов с большой теплопроводностью следует брать нижние пределы указанных диапазонов, а для теплоизоляционных материалов - верхние значения этих диапазонов.

Увеличение частоты следования тепловых импульсов в соответствии с законом (4) осуществляют до тех пор, пока установившееся квазистационарное значение температуры в точке контроля достигнет наперед заданного значения Т_зад, то есть ΔT_i=Т_зад-T(τ_i)=0 (см. фиг. 3б). Установившееся значение температуры в точке контроля достигается тогда, когда очередной тепловой импульс из серии импульсов, подаваемых линейным источником, изменяет температуру в этой точке на величину, меньшую порога чувствительности ε контрольно-измерительной аппаратуры (ε≤0,01°C). Определяют частоту тепловых импульсов F_x (см. фиг. 3б).

Далее измеряют также установившуюся температуру Т_изм в точке х₂ на поверхности исследуемого объекта (см. фиг. 1), а искомые ТФХ определяют по формулам, полученным на основании следующих рассуждений.

Процесс распространения тепла на теплоизолированной от внешней среды поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела при действии линейного источника тепла q_и описывается решением задачи теплопроводности, которое имеет вид [Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высш. шк., 1967. - 599 с]:

где х - расстояние от линейного источника тепла до точки контроля, м; τ - время, с; τ_i - момент нанесения i-го теплового импульса на поверхность тела; λ - коэффициент теплопроводности изделия, Вт/(м⋅К); а - коэффициент температуропроводности, м²/с.

При нанесении одного теплового импульса изменение температуры в точке контроля определяется соотношением:

Используя соотношение (5), по заданной величине ε - чувствительности измерительной аппаратуры - из решения уравнения

определяется интервал времени релаксации температурного поля τ_рел в точке на расстоянии x₁ от воздействия теплового импульса мощностью q_и.

Полученный интервал τ_рел полностью определяет количество импульсов, влияющих на установившуюся температуру в точке контроля в момент измерения τ, т.е. если τ_i - время подачи импульса не принадлежит интервалу [τ-τ_имп, τ], то он не влияет на температуру в точке контроля. Количество импульсов, подаваемых на интервале τ_рел с частотой F, определяется соотношением:

где Е(у) - функция целой части числа у.

Установившаяся температура в результате действия серии импульсов в точке контроля x₁, х₂ на основании (7) для двух заданных значений Т_зад и Т_изм будет определяться соотношениями:

где - интервал времени между передними фронтами тепловых импульсов.

Для решения системы (8)-(9) относительно а и λ воспользуемся разложением в ряд , а так как значение x₁ и х₂ малы (не более 0,05…0,1 м), ограничимся в разложении двумя слагаемыми:

Поделив (10) на (11), получим выражение для теплопроводности в виде:

Для определения коэффициента теплопроводности найденные значения коэффициента температуропроводности а подставим в (8) и получим соотношение:

Для проверки работоспособности предложенного метода были проведены эксперименты на строительных материалах из силикатного и красного кирпича, керамзитного бетона. Нагрев образцов осуществлялся при температуре окружающей среды 20±2°C. Частота следования импульсов 0,025 Гц, время релаксации температуры нагрева для силикатного кирпича - 440 с, для красного кирпича - 480 с, для керамзитного бетона - 560 с.

В таблицах 1-3 приведены данные экспериментов.

Экспериментальная проверка показала корректность основных теоретических выводов, положенных в основу предложенного способа неразрушающего контроля ТФХ строительных материалов и изделий.

Преимуществом заявленного способа по сравнению со способом-прототипом является адаптивный вывод в процессе эксперимента тепловой системы на заданный тепловой режим, т.е. когда контролируемая избыточная температура в точке x₁ будет равна заранее заданному значению Т_зад, значение которого берется таким, чтобы, во-первых, погрешность его измерения была минимальной при использовании имеющихся в наличии измерительных средств (аппаратуры), а во-вторых, величина этой температуры берется значительно ниже температуры термодеструкции исследуемых материалов, что позволяет контролировать их ТФХ без нарушения целостности (плавление, горение, деформация и т.д.) и эксплуатационных характеристик.

Кроме того, существенным преимуществом заявленного технического решения по сравнению с прототипом является получение измерительной информации в число- и частотно-импульсной форме, что, во-первых, легко позволяет преобразовывать измерительную информацию в цифровую форму, во-вторых, повышает помехозащищенность при реализации разработанного способа измерения, во-третьих, существенно уменьшает случайную составляющую общей погрешности измерений, что, в итоге, повышает точность и достоверность искомых ТФХ.

Приведенные выше результаты численных и физических экспериментов показали работоспособность предложенного способа и существенные преимущества его по сравнению с известными техническими решениями, что позволяет сделать вывод о перспективности и эффективности применения разработанного способа при определении теплозащитных свойств строительных конструкций зданий и сооружений, а также в строительной теплотехнике, теплоэнергетике и т.д.