СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

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

Известен способ неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик 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, значительное время проведения теплофизического эксперимента, обусловленное необходимостью вывода тепловой системы в квазистационарный (упорядоченный) режим.

Известен способ определения теплофизических характеристик 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 теплофизические характеристики.

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, большое время теплофизических экспериментов, обусловленное необходимостью вывода исследуемой системы в квазистационарный упорядоченный режим, а также низкая точность измерения теплофизических характеристик 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 теплофизических характеристик 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.

Основным недостатком способа-прототипа является то, что в нем не учитывается затухание выделяемого тепла по глубине, что порождает двумерность распространения тепла в исследуемом объекте, т.е. тепловой поток q распространяется как вдоль оси z (q_z), так и вдоль оси x (q_x) (Фиг. 1). А это является источником дополнительной методической погрешности в результатах измерения.

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

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий, состоящем в нагреве исследуемого объекта воздействием импульса СВЧ-излучения, сфокусированного в линию заданных размеров линзой из радиопрозрачного диэлектрического материала, измерении в заданный момент времени после воздействия импульса СВЧ-излучения избыточной температуры на теплоизолированной от окружающей среды поверхности исследуемого изделия в двух точках, находящихся на расстояниях x₁ и х₂ от плоскости электромагнитного воздействия, причем длину волны и мощность электромагнитного СВЧ-излучения задают такими, чтобы глубина проникновения электромагнитного поля была не менее, чем на порядок больше заданных расстояний х₁ и х₂ до точек контроля температуры, определяют зависимость затухания мощности теплового воздействия от глубины исследуемого тела, затем осуществляют прямолинейную аппроксимацию участка полученной кривой, ограниченного поверхностью исследуемого объекта и точкой, расстояние до которой берется равным значению, превышающему на порядок расстояние до наиболее удаленной от линии теплового воздействия точки контроля х₂ избыточной температуры, измеряют угол α между аппроксимирующей прямой и поверхностью исследуемого тела, устанавливают рупорную антенну СВЧ-излучения под углом α к поверхности исследуемого тела и осуществляют импульсное тепловое воздействие. Имея информацию о мощности теплового воздействия на исследуемое изделие и измеренных избыточных температурах в точках контроля, искомые теплофизические характеристики определяют на основе полученных математических соотношений.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Электромагнитная волна, попадающая в диэлектрик с потерями, которыми являются традиционные строительные материалы (кирпич, бетон и т.д.), ослабляется в направлении распространения. Поэтому для определения мощности теплового воздействия, участвующего в формировании контролируемого температурного поля, рассчитывают глубину проникновения поля плоской волны в материал с потерями, используя выражение для удельной мощности рассеивания в диэлектрике, приведенной в работе [Пюшнер, Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот / Г. Пюшнер. - М.: Энергия, 1968. - 312 с. ]:

где Ε - напряженность переменного электрического поля; f - частота излучения; ε - диэлектрическая проницаемость исследуемого материала.

Мощность теплового воздействия по плоскости 0Ζ (см. Фиг. 1) будет убывать по мере углубления по зависимости (1). Зависимость затухания мощности тепловыделения показана в виде кривой q(z)=f_потерь. При этом изотермы Τ(z,τ)…T(z_i,τ_i) также будут иметь нелинейный вид относительно зависимости z₁, как показано на фиг. 1, что обуславливает появление температурных градиентов ΔТ₁, ΔT₂ … ΔT_i, например, между точками на глубине z₁, z₂, …, z_i, а это порождает появление тепловых потоков q_z1, q_z2, …, q_zi. Таким образом, в любой точке исследуемого тела, в том числе и точках контроля x₁ и х₂, температурное поле формируется под воздействием потоков тепла по оси x и по оси z, т.е. q_xi и q_zi. В прототипе используется математическое соотношение для описания температурного поля в исследуемом теле [Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высшая школа, 1967. - 462 с.] в виде:

где x - координата, τ - время, а - температуропроводность, b=Q/c_j - тепловая активность исследуемого тела, Q - удельная мощность, выделяемая на единицу площади плоскости, c_j - теплоемкость исследуемого тела.

Данное соотношение получено при условии равномерности плотности теплового потока по всей плоскости воздействия, поэтому неучет в прототипе двумерности теплового потока реальных тепловых процессов порождает большую методическую погрешность, что приводит к неточности получаемых результатов. Для устранения этой методической погрешности тепловое воздействие на исследуемое тело, сфокусированное в линию, осуществляют под углом α к плоскости поверхности полуограниченного в тепловом отношении тела (Фиг. 2), значение которого получают следующим образом.

На исследуемый объект воздействуют импульсом СВЧ перпендикулярно плоскости поверхности. Расчетным путем определяют кривую затухания СВЧ-импульса в материале (по глубине). Затем осуществляют прямолинейную аппроксимацию участка полученной кривой, ограниченного поверхностью исследуемого объекта и точкой, расстояние до которой берется равным значению, превышающему на порядок расстояние до наиболее удаленной от линии теплового воздействия точки контроля х₂ (Фиг. 3). Данный выбор участка аппроксимации обусловлен следующим. При аппроксимации всей кривой затухания погрешность конечных результатов будет очень большая, порядка 10-15% (см. Фиг. 3). При аппроксимации участка меньше расстояния до z₃ погрешность уменьшается до 1-2%. Однако в этом случае сложно определить, какая часть энергии СВЧ-генератора участвует в формировании температурного поля в точках контроля x₁ и х₂. На формирование температуры в контролируемых точках поверхности изделия x₁ и х₂, находящихся на расстоянии не более 2-3 мм от плоскости теплового воздействия, оказывает влияние только часть энергии СВЧ-генератора, выделяемая в плоскости на глубине z₃=10х₂. В этом случае погрешность аппроксимации не более 5% (см. Фиг. 3). Для этого случая определяют угол между аппроксимирующей прямой и плоскостью поверхности исследуемого образца, т.е. угол α (см. Фиг. 3). Затем разворачивают рупорную антенну так, чтобы угол между подаваемым импульсом СВЧ и поверхностью образца равнялся углу α и осуществляют тепловое воздействие импульсами СВЧ-излучения (см. Фиг. 2). После осуществляют контроль избыточных температур в двух точках контроля x₁ и х₂. Теплофизические характеристики определяют по формулам, полученным из соотношения (1) для температур, измеренных в точках x₁ и х₂ в момент времени τ*:

где x₁, x₂ - координаты, τ* - время, Т(х₁, τ*), Т(х₂, τ*) - температурное поле в точках x₁ и х₂, λ - теплопроводность, Q₂ - часть энергии, не участвующая в формировании контролируемых на поверхности изделия избыточных температур Τ(x₁, τ*) и Т(х₂, τ*) (см. Фиг. 4)

Устройство, реализующее предлагаемый способ, представлено на Фиг. 5.

Для проведения микроволнового воздействия на исследуемый образец электромагнитные излучения рупорной антенны 1 СВЧ-генератора 2 фокусируют линзой 3 из радиопрозрачного диэлектрического материала в линию заданной длины 4. При этом выставляют рупорную антенну 1 под углом α к поверхности исследуемого материала. Нагрев исследуемого объекта 5 осуществляется импульсным воздействием высокочастотного электромагнитного поля (СВЧ-излучением) длительностью 5-10 секунд от излучающей антенны 1, соединенной волноводом с СВЧ-генератором 2. После СВЧ-воздействия осуществляют контроль избыточных температур на теплоизолированной от окружающей среды поверхности исследуемого объекта в двух точках, находящихся соответственно на расстояниях х₁ и х₂ от линии электромагнитного воздействия, термопарами 6, которые через коммутатор 7, нормирующий прецизионный усилитель 8 и АЦП 9, подключают к микропроцессору 10. В эксперименте расстояния х₁ и х₂ берутся обычно равными 2 и 3 мм соответственно. Микропроцессор 10 соединен с СВЧ-генератором 2 через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 11 и порт ввода-вывода 12. Данные эксперимента выводятся на индикатор 13. Используя полученную в ходе теплофизического эксперимента измерительную информацию, в микропроцессоре 10 определяют искомые теплофизические характеристики по алгоритмам, построенным на основании аналитических соотношений (3), (4), описывающих тепловые процессы в исследуемом полуограниченном в тепловом отношении объекте.

В таблицах 1-3 приведены данные экспериментов соответственно для керамзитного бетона, силикатного и красного кирпича.

Основным преимуществом заявленного технического решения по сравнению с прототипом является повышение точности в среднем на 2-3% за счет уменьшения методической погрешности, обуславливаемой затуханием выделяемого тепла по глубине исследуемого объекта после воздействия импульса СВЧ-излучения, порождающего двумерность распространения тепла в исследуемом объекте.

Таким образом, разработанный способ определения теплофизических характеристик строительных материалов имеет существенное преимущество в точности определения теплофизических характеристик перед известными способами указанного назначения, что, несомненно, позволит использовать его в практике теплофизических измерений, в строительной теплотехнике и различных отраслях промышленности.