Неразрушающий сравнительный метод и интерполяционный прибор для экспресс-измерений теплопроводности твердых тел на основе двухточечного зондирования поверхности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.04, кандидат технических наук Калинин, Александр Николаевич
- Специальность ВАК РФ05.11.04
- Количество страниц 241
Оглавление диссертации кандидат 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.
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Приборы и методы измерения тепловых величин», 05.11.04 шифр ВАК
Метод и автоматизированная система многостадийного неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых теплоизоляционных материалов2000 год, кандидат технических наук Сенкевич, Алексей Юрьевич
Метод и измерительная система оперативного неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов и изделий2005 год, кандидат технических наук Пугачев, Роман Викторович
Разработка метода и устройства для неразрушающего контроля комплекса теплофизических свойств твёрдых анизотропных материалов2011 год, кандидат технических наук Конышева, Наталия Александровна
Методы и средства метрологического обеспечения измерений параметров теплообмена и теплоносителей2005 год, доктор технических наук Черепанов, Виктор Яковлевич
Метод и измерительная система неразрушающего контроля температурных характеристик структурных переходов в полимерных материалах2012 год, кандидат технических наук Бородавкин, Дмитрий Георгиевич
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Неразрушающий сравнительный метод и интерполяционный прибор для экспресс-измерений теплопроводности твердых тел на основе двухточечного зондирования поверхности»
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.
Похожие диссертационные работы по специальности «Приборы и методы измерения тепловых величин», 05.11.04 шифр ВАК
Методы и средства неразрушающего контроля теплофизических свойств многослойных изделий2005 год, кандидат технических наук Чернышов, Алексей Владимирович
Теория, методы и средства комплексного исследования теплофизических свойств в режиме разогрева-охлаждения2007 год, доктор технических наук Баранов, Игорь Владимирович
Многомодельные методы и средства неразрушающего контроля теплофизических свойств изделий из твердых неметаллических материалов2005 год, доктор технических наук Жуков, Николай Павлович
Метод измерения теплопроводности твердых теплоизоляционных материалов на основе интегральной формы уравнения Фурье2005 год, кандидат технических наук Ковалева, Ирина Владиславовна
Автоматизированная установка для измерения теплофизических коэффициентов анизотропных полимерных материалов2004 год, кандидат технических наук Дударев, Роман Владимирович
Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения тепловых величин», Калинин, Александр Николаевич
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 —
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.