Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Приборы и методы измерения тепловых величин

Диссертационная работа:

Калинин Александр Николаевич. Неразрушающий сравнительный метод и интереполяционный прибор для экспресс-измерений теплопроводности твердых тел на основе двухточечного зондирования поверхности : Дис. ... канд. техн. наук : 05.11.04 Новосибирск, 1994 241 с. РГБ ОД, 61:95-5/1082-9

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Стр.
ВВЕДЕНИЕ .-.' 5

РАЗДЕЛ I. НЕРАЗРУШАЭДИЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ (ОБЗОР) 18

  1. Относительные неразрушающие метода 18

  2. Абсолютные неразрушающие методы 27

  3. Сравнительные нера з рушащие методы 34

  4. Выводы к. разделу 1 44

РАЗДАЛ 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И АНАЛИЗ НОВОГО

ШРАЗРУШАЭДЗГО СРАВНИТЕЛЬНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ
ТЕіШОПРОВОДШСЇЇЇ НА ОСНОВЕ ДВУХТОЧЕЧНОГО 30НДИР0-
ВАКИЯ ПОВЕРХНОСТИ 45

  1. Тепловая модель системы исследуемый .образец.- два разв-температурных цилиндрических зонда 45

  2. Электротепловая аналогия системы 53

  3. Обоснование и расчет оптимальных параметров

системы -...." 58

2.4. /шализ условий адекватности изотропного образца
полупространству 65

2.5. Выводы к разделу 2 72

РАЗДЕЛ 3. ПОГРЕШНОСТИ МЕТОДА 75

3.1. Основные источники и составляющие погрешности

метода 75

  1. Анализ погрешностей, обусловленных непостоянством параметров системы 78

  2. Анализ погрешностей, обусловленных неадекватностью образца полупространству 84

  3. Оценка погрешности определения градуировочной характеристики и последующих измерений 89

- J -

Стр.

3.5. Оценка погрешностей измерения дифференциальным

методом 95

3.6. Выводы к разделу 3 102

РАЗДЕЛ 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДА 104

4.1. Схемы и средства практической реализации

метода 104

  1. Исследование и анализ градуировочной характеристики 122

  2. Экспериментальные исследования случайных погрешностей. ..130

  3. Экспериментальные исследования источников систематических погрешностей 137

4.5. Выводы к разделу 4 149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 153

ЛИТЕРАТУРА 156

ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ I. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ТЕ1Ш0ПР0В0ДН0СТИ
ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ИХ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
(ОВДЙ АНАЛИЗ) 174

  1. Сбщее состояние и основные направления развития измерений тешюфизических свойств 174

  2. Основные принципы и классификация методов измерения теплопроводности твердых тел 177

  3. Методы и средства, применяемые для массовых измерений теплопроводности твердых тел 184

1.4. Методы и средства, применяемые для компариро-
, вания мер теплопроводности твердых тел при их

аттестации и поверке 185

1.5. Выводы к Приложению I 187

Стр. ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ МЕТОДА НА

ТОНКОСЛОЙНЫЕ И АНИЗОТРОПНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 190

2.1. Анализ метода применительно к тонкослойному,

в том числе анизотропному образцу 190

2.2. Анализ влияния составляющих тензора теплопро
водности анизотропного (ортотропного) образца 202

* 2.3. Выводы к Приложению 2 ......... 208

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДА ПРИМЕ
НИТЕЛЬНО К ШІ1ЕНИЮ ЧАСТНЫХ ЗАДАЧ 210

  1. Экспериментальная проверка применимости-метода к специфическим классам материалов 210

  2. Исследования метода применительно к тонкослойным и анизотропным материалам 218

  3. Исследование метода применительно к сличению

мер теплопроводности 227

3.4. Определение контактного термического
сопротивления 232

3.5. Выводы к Приложению 3 233

ПРИЛОЖЕНИЯ 4*9. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 236

Введение к работе:

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 р-22].' ""'

Из теплофиэических 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

многих областях науки и техники. Примерами могут служить авиационная 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 их 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.

Нераэрутающие методы измерения теплопроводности имеют прямой выход в производство, в частности, для решения задач техно-

логического контроля материалов и изделий, когда теплофизические 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, объём произ-' водства которых постоянно растет,.

Преимущества неразрушающих методов особенно наглядно проявляются при исследованиях химически активных, в частности, легковоспламеняющихся и взрывоопасных веществ и материалов. Использование 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, компарирова-ние 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 уменьшить влияние структурных изменений материалов сравниваемых

- b -

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 нераэрушающие 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 методов7'допускающих 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 "ВНИИФТРИ1') 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 Г25-32І . То есть, возникли все необходимые предпосылки для исследований, разработки и

- 9 -широкого использования сравнительных неразрушающих методов и средств измерения теплопроводности.

Общий ббаор" методов и средств измерения тепло про ВОДНО.С ти показал, что основная их часть расчитаны на образцы правильной геометрической формы (см. Приложение і). 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, од-нако предусматривающие внедрение преобразователей [5 J . При этом, выявлено значительное число исследований и разработок,' направленных на создание "неразрушающих" методов и средств определения тепло-физических 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 І). В первую очередь недостаточны диапазон (0,03 * 10 Вт/(м-К) вместо "гребує- J мого (0,02 * 500 Вт/(м-К)) и точность измерений (основная погрешность 5 - 10 % вместо требуемой I - 3 %). Остается значительным время одного измерения (5-5- 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

методы и средстве измерения теплопроводности твердых тел

vr»^"*

разрушающие

неразрутающие

с отбором проб

с внедрением преобразователей

с зондированием поверхности

нестационарного режима

стационарного режима

абсолютные

относительные

сравнительные

неэкспрессные

экспрессные

шиооко--темпёратурные

-для нормальных

условий

(-50430 С)

для комнатных темпера^

Рис.1. Схема классификации методов и средств измерения

теплопроводности твердых тел

- II -

Таблица I. Уровни неразрушающих методов и средств измерения теплопроводности твердых тел

* I - твердые; 2 - деформируемые; 3 - однородные; 4 - дисперсные; 5 - ячеистые; 6 - волокнистые; 7 - порошковые; 8 - объемные; 9 - тонкослойные; 10 - пленочные; II - без увлажнения; 1'4 - влагесодержащие; 13 - изотропные; 14 - анизотропные; 1а - 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 анизотропным, 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. G 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 неразру-шающего сравнительного метода измерения теплопроводности, основанного на двухточечном тепловом зондировании поверхности образца с помощью двух разнотемпературных цилиндрических зондов, и

- id -

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 теплопроводности 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.

Для достижения поставленной цели автору было необходимо:

- провести обзор и анализ существующих неразрущающих мето
дов 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 разнотёмпера-турных 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 абсолютной и относительной чувствительностей метода и выработать

алгоритм выбора оптимальных теплофизических и геометрических параметров ;

провести теоретический анализ условий адекватности исследуемого образца полупространству в задачах с локальными источниками (стеками) 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 (стенания) тепла от локального источника (стока) в составном анизотропном полупространстве; получить аналитические зависимости и расчетные соотношения, а также разработать методики-определения на основе предло-женного метода и полученных соотношений нормальной и тангенциальной составляющих тензора теплопроводности ориентированных тонкослойных и пленочных материалов, а чжже 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 параметре^в применительно к измерениям теплопроводности в широком

диапазоне (0,03 * 100 Вт/(м-К));

разработать методику и провести комплекс экспериментальных исследований созданного метода и его метрологических ^эксплуатационных возможностей, в том числе экспериментальную, проверку полученных исходных зависимостей й 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 исследова
ний закономерностей теплового взаимодействия двух разнотемпера-
турных цилиндрических зондов с образцом через контакты малого ра
диуса в установившемся тепловом режиме разработан новый, неразру-
шающий сравнительный метод измерения теплопроводности тел произ
вольной геометрической формы и на его основе создан новый интер
поляционный прибор, градуируемый с помощью набора образцовых мер
теплопроводности и применимый в качестве рабочего средства для
массовых прямых неразрушаклцих измерений теплопроводности широкого
класса материалов в широком' диапазоне теплопроводности и типораз
меров исследуемых образцов, а также в качестве образцового прибо
ра для скоростного сличения образцовых мер теплопроводности раз
ной формы и размеров при их аттестации и поверке в метрологичес
кой 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 неразруша
ющего сравнительного метода измерения теплопроводности твердых
тел на основе двухточечного теплового зондирования поверхности

с помощью двух разнотемпературных цилиндрических зондов;-

- теоретические и экспериментальные исследования погрешнос
тей разработанного метода на основе предложенной методики предва
рительной градуировки экспериментальной модели с помощью набора
мер теплопроводности и аппроксимации данных градуировки аналити
ческой зависимостью, найденной из физических соображений;

-результаты разработки нового интерполяционного прибора для неразрушающих экспресс-измерений теплопроводности твердых тел произвольной геометрической формы на основе созданного неразрушающего сравнительного метода с двухточечным зондированием поверхности; ,

- теоретические и экспериментальные исследования по распро
странению и обобщению созданных метода и прибора на тонкослойные

материалы и на материалы, обладающие анизотропией теплопроводности.

Работа выполнялась на основании "Комплексной научно-технической программы развития теплофизического приборостроения на I977-I99G годы", общегосударственной программы "Сибирь" (п.5.1 "Метрологическое обеспечение народного хозяйства Сибири") и в соответствии схематическими 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--иэмерений теплопроводноети 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" (БНИИЯГТ); 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 03 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 БЭТ 59-2-83, ученым хранителем которого автор является.

- ІО -

Подобные работы
Мансуров Александр Валерьевич
Алгоритмы обработки данных радиоволнового дистанционного зондирования поверхности Земли на основе искусственных нейронных сетей
Снегирев Сергей Александрович
Разработка экспресс-метода и прибора для оценки качества твердой жировой фазы комбинированного масла на основе изучения процесса ее плавления
Есаков Дмитрий Игоревич
Разработка проблемно-ориентированного математического обеспечения систем зондирования поверхности Земли
Меламед Ольга Петровна
Математическая модель сигналов в оптико-электронных системах при дистанционном зондировании земной поверхности из космоса
Седельников Вадим Сергеевич
Адаптивные алгоритмы обработки информации при автоматическом обнаружении и распознавании объектов дистанционного зондирования земной поверхности с помощью бортовой РЛС с синтезированной апертурой
Замятин Александр Владимирович
Математическое и программное обеспечение системы анализа динамики земной поверхности по данным дистанционного зондирования Земли
Силаенков Александр Николаевич
Конструирование алгебраических кривых и поверхностей методами исчислительной геометрии с применением в автоматизации расчета диаграмм
Ипполитов Владимир Николаевич
Повышение режущих свойств инструментов из быстрорежущей стали на основе модификации их рабочих поверхностей методом электроакустического напыления-легирования
Сорокин Константин Викторович
Исследование и разработка методов защиты поверхности кремниевых фотодиодов с применением ионной имплантации
Нуянзин Евгений Анатольевич
Повышение долговечности шестеренных гидронасосов восстановлением изношенных рабочих поверхностей комбинированным методом :На примере насоса НШ-50А-3

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net