способ неразрушающего контроля теплофизических свойств строительных материалов многослойных конструкций

Формула изобретения

Способ неразрушающего контроля теплофизических свойств строительных материалов многослойных конструкций, состоящий в адиабатическом тепловом воздействии на поверхность наружного слоя конструкции дисковым нагревателем, расположенным в плоскости измерительного зонда, окаймленного охранным теплоизоляционным кольцом, и регистрации зависимости температуры поверхности исследуемого материала от времени, отличающийся тем, что на контактной поверхности второго зонда вместо дискового нагревателя помещают датчик теплового потока и на заданном расстоянии от дискового нагревателя первого зонда и датчика теплового потока второго зонда дополнительно устанавливают по два линейных нагревателя, а на фиксированном расстоянии от линейных нагревателей помещают термобатареи, расположенные на линии, параллельной линии нагревателей, при этом для определения теплофизических свойств наружных слоев конструкции осуществляют воздействие одним тепловым импульсом от линейных источников тепла, определяют время релаксации температурного поля в контролируемых точках, затем в обоих зондах осуществляют воздействие тепловыми импульсами от линейных источников тепла, изменяют частоту тепловых импульсов до тех пор, пока значение температуры в точках, расположенных на заданных расстояниях от линейных нагревателей, не станет равной заранее заданным двум значениям, определяют при этом частоты тепловых импульсов соответственно для первого и второго наружного слоя и, используя эту информацию, при помощи полученных математических зависимостей определяют теплофизические свойства наружных слоев конструкции, для определения теплофизических свойств внутреннего слоя осуществляют тепловое воздействие дисковым нагревателем первого зонда, регистрируют величину теплового потока при помощи датчика, расположенного на контактной плоскости второго зонда, а также измеряют температуру в точках, расположенных соответственно под дисковым нагревателем и на контактной поверхности датчика теплового потока, используя измеренные значения температур в указанных точках и измеренное значение теплового потока, пронизывающего слои исследуемой конструкции, а также ранее полученные значения теплофизических свойств наружных слоев, при помощи математических зависимостей, описывающих перепад температур в каждом из трех слоев, определяют искомые теплофизические свойства внутреннего слоя исследуемой конструкции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительной теплотехнике, в частности к измерениям теплофизических свойств (ТФС) многослойных ограждающих конструкций (наружных перекрытий, перегородок, покрытий, полов и т.п.).

Известен способ неразрушающего контроля ТФС материалов (см. а.с. СССР N 1390555, кл. 4 G 01 N 25/18, 1988), состоящий в тепловом воздействии на поверхность полубесконечного в тепловом отношении исследуемого тела от точечного источника тепла, измерении времени достижения максимальной избыточной температуры в заданной точке поверхности тела, измерении мощности источника тепла, при этом обеспечивают постоянную мощность источника тепла до момента достижения максимальной избыточной температуры в заданной точке поверхности, затем мощность источника тепла изменяют обратно пропорционально корню квадратному из времени и замеряют величину максимальной избыточной температуры в точке приложения источника тепла, а искомые ТФС определяют по соответствующим формулам с учетом измеренных параметров.

Недостатками этого способа являются, во-первых, то, что в качестве нагревателя используется точечный источник тепла, тогда как для определения ТФС строительных материалов (бетон, кирпич, утеплители типа пенопласта и т.п.) необходим источник тепла с большой активной (теплоотдающей) поверхностью, так как потребное время нагрева таких материалов при соблюдении условия их термодеструкции весьма велико - более часа, во-вторых, область применения этого способа ограничена однослойными конструкциями.

Известен также способ определения ТФС строительных материалов конструкций (см. а.с. СССР №1122956, кл. G 04 N 25/18, 1984), согласно которому вводят в соприкосновение поверхности эталонного тела и исследуемой конструкции, подают тепловой импульс и регистрируют изменение температуры в плоскости их соприкосновения, вычисляют коэффициенты тепловой активности, а затем вычисляют искомые ТФС, при этом регистрацию изменения температуры производят в два разных промежутка времени.

Недостатками этого способа являются также ограниченность области его применения однослойными конструкциями и, кроме того, сложность алгоритма расчета искомых ТФС, так как вначале вычисляют критическое время, коэффициенты тепловой активности по громоздким формулам и лишь затем по полученным данным рассчитывают ТФС.

За прототип принят способ определения теплофизических характеристик многослойных строительных конструкций (см. патент RU №2140070 С1, кл. G 01 N 25/18), заключающийся в адиабатическом воздействии на поверхность каждого наружного слоя соответствующим дисковым нагревателем, расположенным в полости зонда, окаймленного теплоизоляционным кольцом, и регистрации зависимости температуры поверхности исследуемого материала от времени. Для определения коэффициентов температуропроводности наружных слоев конструкции регистрируют зависимость температуры от времени в четырех поверхностных точках: под обоими нагревателями и в двух точках поверхности, расположенных под соответствующими охранными кольцами и отстоящих от края нагревателя на расстояния, равные соответствующим толщинам наружных слоев конструкции. Для определения теплофизических характеристик внутренних слоев конструкции один из нагревателей отключают и регистрируют зависимость температуры поверхности от времени в двух из указанных точках.

Недостатками прототипа являются большая методическая погрешность определения искомых ТФС, обусловленная неадекватностью используемой математической модели для описания температурного поля по толщине изделия физике реальных тепловых процессов, а также сложность и громоздкость вычислений при определении контролируемых ТФС, что существенно затрудняет реализацию способа-прототипа.

Техническая задача изобретения - повышение точности определения искомых теплофизических свойств многослойных изделий.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе неразрушающего контроля теплофизических свойств строительных материалов многослойных конструкций, состоящем в адиабатическом тепловом воздействии на поверхность наружного слоя конструкции дисковым нагревателем, расположенным в плоскости измерительного зонда, окаймленного охранным теплоизоляционным кольцом, и регистрации зависимости температуры поверхности исследуемого материала от времени, на контактной поверхности второго зонда вместо дискового нагревателя помещают датчик теплового потока и на заданном расстоянии от дискового нагревателя первого зонда и датчика теплового потока второго зонда дополнительно устанавливают по два линейных нагревателя, а на фиксированном расстоянии от линейных нагревателей помещают термобатареи, расположенные на линии, параллельной линии нагревателей, при этом для определения теплофизических свойств наружных слоев конструкции осуществляют воздействие одним тепловым импульсом от линейных источников тепла, определяют время релаксации температурного поля в контролируемых точках, затем в обоих зондах осуществляют воздействие тепловыми импульсами от линейных источников тепла, изменяют частоту тепловых импульсов до тех пор, пока значение температуры в точках, расположенных на заданных расстояниях от линейных нагревателей, не станет равным заранее заданным двум значениям, определяют при этом частоты тепловых импульсов соответственно для первого и второго наружного слоя и, используя эту информацию, при помощи полученных математических зависимостей определяют теплофизические свойства наружных слоев конструкции, для определения теплофизических свойств внутреннего слоя осуществляют тепловое воздействие дисковым нагревателем первого зонда, регистрируют величину теплового потока при помощи датчика, расположенного на контактной плоскости второго зонда, а также измеряют температуру в точках, расположенных соответственно под дисковым нагревателем и на контактной поверхности датчика теплового потока, используя измеренные значения температур в указанных точках и измеренное значение теплового потока, пронизывающего слои исследуемой конструкции, а также ранее полученные значения теплофизических свойств наружных слоев, при помощи математических зависимостей, описывающих перепад температур в каждом из трех слоев, определяют искомые теплофизические свойства внутреннего слоя исследуемой конструкции.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

На каждую из наружных поверхностей полубесконечной в тепловом отношении многослойной конструкции устанавливаются по одному зонду (см. фиг.1), в плоскости контакта первого из которых расположены дисковый нагреватель ДН и два линейных нагревателя ЛН1 и ЛН2, закрепленные на небольшом заданном расстоянии от дискового нагревателя, а также термопара Тп₁, помещенная в центр контактной плоскости дискового нагревателя, и две термобатареи Тб₁ и Тб₂, расположенные по линии на заданном расстоянии x₁ соответственно от линейных источников ЛН1 и ЛН2 (см. фиг.1). В плоскости контакта второго термозонда расположены датчик теплового потока Tq и на заданном расстоянии от него два линейных нагревателя ЛН3 и ЛН4. Кроме того, на заданном расстоянии х₁ от линии действия этих нагревателей помещены термобатареи Тб₃ и Тб₄ соответственно, а в центре круга датчика теплового потока вмонтирована вторая термопара Тп ₂.

Нагреватели, термопары и термобатареи как первого, так и второго зондов закрыты по внешней от контактной плоскости стороне теплоизоляционным материалом типа рипор или асбест, обуславливая направленное движение тепловых потоков на наружную поверхность конструкции и препятствуя теплообмену в других направлениях, тем самым обеспечивая реализацию адиабатического режима нагрева.

Зонды поджимаются к наружной поверхности исследуемого изделия определенным усилием, сообщаемым грузом или пружиной (на чертеже не показаны). На фиг.1 обозначены 1-4 - порядковые номера поверхностей слоев, R1-R3 - толщины слоев. Расстояние х₁ от линейных нагревателей до термобатарей берется в 3-5 раз меньше соответственно толщин слоев R1 и R3, т.к. в этом случае на результаты измерения температурных полей от действия линейных источников тепла практически не скажется влияние внутреннего (второго) слоя конструкции, т.е. первый и третий слой с большой достоверностью можно считать полубесконечными телами относительно тепловых процессов, обусловленных действием линейных источников тепла.

Определение ТФС наружных слоев конструкций осуществляют в соответствии с алгоритмом измерения, сущность которого заключается в следующем. В начале осуществляют тепловое воздействие одиночным тепловым импульсом заданной мощностью q_н, которая составляет не более 10-15% от мощности Q_терм, при которой температура на линии действия источника тепла достигнет значения температуры термодеструкции исследуемого материала, и определяют время релаксации _рел (см. фиг.2,а) температурного поля в точке поверхности исследуемого тела, расположенной на заданном расстоянии x ₁ от линии действия источника тепла. Затем определяют минимальную частоту следования тепловых импульсов в соответствии с зависимостью где k - коэффициент, задаваемый в диапазоне от 2 до 5, _рел - интервал времени от момента нанесения теплового импульса до момента, когда избыточная температура в точке контроля станет равной порогу чувствительности контрольно-измерительной аппаратуры (см. фиг.2,а). Осуществляют тепловое воздействие от линейного источника тепла, увеличивая частоту тепловых импульсов в соответствии с зависимостью

где Т( ) = Т_зад1-Т( ) - разность между наперед заданным значением Т_зад1 и текущим значением контролируемой температуры; Т_i=Т_зад1-Т( _i) - разность между заданной и текущей температурой в моменты времени (см. фиг.2,б), определяемые соотношением где К₁-К₄ коэффициенты пропорциональности, значения которых определяются экспериментально на эталонных изделиях или задаются соответственно в диапазонах К₁=1-10; К₂=1-100; К₃=1-50, К₄=0,1-1, _min – минимальный интервал времени определения разности T_i (задается от 1 до 3 с).

Увеличение частоты следования тепловых импульсов в соответствии с зависимостью (1) осуществляют до тех пор, пока установившееся квазистационарное значение температуры в точке контроля достигнет наперед заданного значения T_зад1, то есть Т_i=Т_зад1-Т( _i)=0 (см. фиг.2,б). 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 контрольно-измерительной аппаратуры ( 0,01° C). Определяют частоту тепловых импульсов F_х1 , после чего в соответствии с зависимостью (1) начинают увеличение частоты тепловых импульсов до тех пор, пока значение избыточной контролируемой температуры в той же точке х₁ не достигнет второго, наперед заданного значения Т_зад2 (см. фиг.2,в). Определяют при этом частоту тепловых импульсов F_х2, а искомые теплофизические свойства определяют по зависимостям, 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 [см., например, Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высш. шк., 1967. - 599 с.]:

где х - расстояние от линейного источника тепла до точки контроля, м; - время, с; _i - момент нанесения i-го теплового импульса на поверхность тела; - коэффициент теплопроводности изделия, Вт/мК; - коэффициент температуропроводности, м²/с.

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

Используя соотношение (3), по заданной величине - чувствительности измерительной аппаратуры - из решения уравнения

определяется интервал времени релаксации температурного поля _рел в точке х₁ от воздействия теплового импульса мощностью q_и.

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

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

Установившаяся температура в результате действия серии импульсов в точке контроля х₁ на основании (2), для двух заданных значений T _зад1 и T_зад2 будет определяться соотношениями

где _i=1/Fx_i - расстояние между передними фронтами тепловых импульсов.

Для решения системы (5)-(6) относительно и воспользуемся разложением в ряд а так как значение x₁ мало (0,005-0,008 м), ограничимся в разложении двумя слагаемыми

Поделив (7) на (8), получим выражение для теплопроводности

Для определения коэффициента теплопроводности найденное значение коэффициента а подставляют в (5) и получают соотношение

Входящие в соотношения (7) и (8) и, соответственно, в конечные формулы для определения тепло- и температуропроводности исследуемых материалов (9) и (10) числа тепловых импульсов n ₁ и n₂, участвующие в формировании температурного поля в точке контроля x₁ для двух установившихся состояний тепловой системы Т(х, )=Т_зад1 и Т(х, )=Т_зад2, определяют в соответствии с выражением (4) по формуле n_i=E( _рел· Fx_i), где i=1, 2.

Таким образом, используя соотношения (9) и (10) и имея информацию о частоте тепловых импульсов F_x1 и F_x2 для первого наружного слоя и о частотах F_x3 и F _x4 для второго наружного слоя, легко определить ТФС обоих наружных слоев.

Для определения ТФС материалов внутреннего слоя конструкции включают дисковый нагреватель ДН и осуществляют подвод к поверхности конструкции удельного теплового потока через круг до тех пор, пока на противоположной поверхности конструкции появится тепловой поток. Измеряют при этом величину теплового потока q_x, а также температуру в плоскостях 1 и 4 с помощью термопар Tп1 и Tп2.

Перепад температур на первом слое конструкции определяется следующим соотношением [см., например, Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М: Высш. шк., 1984. 247 с.]:

Отсюда температура в плоскости 2 определяется из соотношения

По аналогии с выражением (11) температура в плоскости 3 определяется из соотношения

т.е.

Используя выражения (12) и (13), перепад температуры на внутреннем слое конструкции определяется выражением

Из выражения (14) искомый коэффициент теплопроводности внутреннего слоя конструкции определяется по соотношению

Для определения коэффициента температуропроводности внутреннего слоя конструкции используем аналитическое решение [см., например, Козлов В.П. Двумерные осесимметричные нестационарные задачи теплопроводности./Под ред. А.Г.Шашкова. Мн.: Наука и техника, 1986. 392 с.], описывающие распределение температуры по толщине R₂ слоя материала и во времени при использовании модели полупространства и имеющей вид

Имея информацию о и q_и и используя известные подробные таблицы для определения функции кратного интеграла вероятности ierfc z, численным методом из выражения (16) легко определить искомый коэффициент температуропроводности _2.

Таким образом, имея информацию о мощности и частоте тепловых импульсов линейного источника тепла и измерив температуру в заданных точках поверхности исследуемого изделия, по соотношениям (9) и (10) определяем ТФС наружных слоев конструкции, а измерив тепловой поток на противоположной от дискового нагревателя стороне изделия и температуры на обеих внешних сторонах конструкции при действии дискового нагревателя, по соотношениям (15) и (16) определяем ТФС внутреннего слоя конструкции.

Для проверки работоспособности предложенного метода неразрушающего контроля ТФС были проведены эксперименты на трехслойном изделии, наружные слои которого выполнены из полиметилметакрилата толщиной 20 мм, а внутренний - из рипора толщиной 30 мм.

Данные эксперимента для наружных слоев конструкции приведены в таблице №1, а для внутреннего слоя - в таблице №2.

Таблица №1
	qи	n1	n2	Tзад1	Tзад2	Fx1	Fx2	1,3	1,3	, %	, %
Наружный слой №1	0,5	864	3132	30	50	11,4	41,5	0,186	1,05-10-7	4,6	7
Наружный слой №2	0,5	860	3126	30	50	10,2	42,3	0,187	1,07-10-7	4,1	5,3

Таблица №2
	T1	T 2	T3	Т4	q и	2	2	2, %	а2, %
Внутренний слой	64	60,7	25,1	21,8	32	0,026	4,86-10-7	3,7	5,65

Экспериментальная проверка показала корректность основных теоретических выводов, положенных в основу предложенного способа неразрушающего контроля ТФС многослойных конструкций без нарушения их целостности.

Основным недостатком способа-прототипа является неадекватность используемой математической модели для описания температурного поля по толщине изделия z физике реальных тепловых процессов, т.к. в прототипе используется одномерное решение для полуограниченного тела при действии постоянного теплового потока по всей поверхности и имеющего вид [например, Козлов В.П. Двумерные осесимметричные нестационарные задачи теплопроводности./Под ред. А.Г.Шашкова. - Мн.: Наука и Техника. 1986. 392 с.; см. формула 5-83, с.226]:

тогда как при подводе тепла к поверхности изделия через круг радиусом r₀, что имеет место в способе-прототипе, решение, описывающее распределение температуры по толщине z во времени , имеет следующий вид [Козлов В.П. Двумерные осесимметричные нестационарные задачи теплопроводности./Под ред. А.Г.Шашкова. - Мн.: Наука и Техника. 1986. 392 с.; см. формула 5-81, с.226]:

Отсюда неадекватность математического описания тепловых процессов в исследуемом изделии (отличие выражений (1) от (2)) порождает методическую погрешность способа-прототипа, величина которой, как показали расчеты и эксперименты на материалах с известными ТФС, составляет 40-50% при длительности эксперимента около 15 минут (табл.3).

Исходные данные: r₀ =0,02 м; =0,197 Вт/м· К; =4,54· 10^-7 м²/c; z=0,04 м; q ₀=1,5 кBт/м².

Таблица 3
Время , с	150	200	250	300	350	400	450	500
Температура Т по (17)(прототип), ° С	0.077	0.377	1.116	2.568	5.102	9.191	15.421	24.482
Температура Т по(18), ° С	0.064	0.285	0.796	1.77	3.452	6.164	10.304	16.333
Отн. погр., %	20	32	40	45	47	49	49	49
Продолжение табл.3
Время , с	550	600	650	700	750
Температура Т по(17)(прототип), ° С	37.168	54.365	77.046	106.27	143.169
Температура Т по (18),° С	24.773	36.2	51.239	70.559	94.87
Отн. погр., %	50	50	50	50	50

Существенным недостатком способа-прототипа является также приравнивание температуры на границе первого и второго слоев изделия к температуре на поверхности изделия на расстоянии от края дискового нагревателя, равном толщине первого слоя изделия (см. выражения (4) прототипа: Т_b2 T_b1). Эти точки изделия находятся в неодинаковых условиях относительно дискового нагревателя: тепловой поток от нагревателя к первой точке идет через полуограниченное в тепловом отношении сплошное однородное тело - первый слой изделия, а тепловой поток ко второй точке идет по границе этого слоя и охранного теплоизолятора. Температурное поле в первой точке описывается выражением (18), а во второй точке описывается формулой (5-64) в книге Козлова В.П. Двумерные осесимметричные нестационарные задачи теплопроводности./Под ред. А.Г.Шашкова. - Мн.: Наука и Техника. 1986. - 392 с.

Расчет для изделий из материалов с известными и стабильными ТФС (оргстекло, рипор) показал, что методическая погрешность, обусловленная некорректностью равенства Т_b2 T_b1 составляет не менее 25-30%, причем, чем больше значения ТФС исследуемого материала (первый слой) отличаются от значений ТФС охранного теплоизолятора, тем больше различие температур в указанных точках контроля, т.е. больше методическая погрешность определения искомых ТФС.

В заявленном же техническом решении при определении ТФС первого и третьего наружных слоев изделия для описания температурного поля при действии линейного импульсного источника тепла используется известное корректное решение (2) [см. Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высш. шк., 1967], а для определения ТФС внутреннего слоя изделия используется также известное в теории электротепловой аналогии выражение (16) [см. Дульнев Г.И. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Высш. шк., 1984]. Поэтому в разработанном техническом решении методическая погрешность от неадекватности описания математическими соотношениями физических процессов в исследуемом изделии сведена к минимуму, что в итоге позволяет существенно повысить точность измерения искомых ТФС в многослойных изделиях без нарушения из целостности и эксплуатационных характеристик. Кроме того, преимуществом заявленного технического решения по сравнению с прототипом является то, что для определения ТФС всех слоев используются несложные математические выражения, что существенно упрощает реализацию и повышает метрологический уровень разработанного способа, тогда как в способе-прототипе ТФС всех слоев определяются путем обработки термограммы нагрева с использованием кусочно-линейной аппроксимации, сложных громоздких вычислений, определением искомых ТФС слоев через тепловую активность и т.д., что, естественно снижает точность определения искомых свойств и создает дополнительные затраты при внедрении этого способа в практику теплофизических измерений.

Существенным преимуществом заявленного технического решения по сравнению с прототипом является получение измерительной информации в число- и частотно-импульсной форме, что, во-первых, повышает помехозащищенность при реализации разработанного способа измерения, во-вторых, существенно уменьшает случайную составляющую общей погрешности измерений, что, в итоге, повышает точность и достоверность искомых ТФС.

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 многослойных строительных конструкций зданий и сооружений, а также в других отраслях народного хозяйства.