Конструкция выносного измерительного зонда для неразрушающего контроля теплофизических свойств

Реализация теплового режима адекватного математической модели разработанного метода осуществлена выносным зондом [27], описание конструкции которого, приведено ниже. Зонд состоит из двух основных элементов: корпуса и эталонной подложки с нагревателем и интегратором температуры или термопарой.

При проектировании зонда были учтены два основных требования: во-первых, зонд должен иметь небольшие размеры. Это требование вызвано необходимостью легкости зонда, позволяющей перемещать зонд без усилий и с достаточной точностью в любое место поверхности исследуемого образца, а также малого участка поверхности исследуемого тела. Во-вторых, при закреплении зонда на исследуемом участке необходимо создать определённое давление эталонной подложки с нагревателем и термопарой на поверхность исследуемого материала, чтобы избежать контактного теплового сопротивления. Для этой цели служит специально сконструированный груз, обеспечивающий плотное поджатие зонда к исследуемому материалу. Размеры подложки, а соответственно и зонда в целом, выбирались из условий сохранения адекватности физической модели математической. Исходя из расчётов сохранения адекватности температурного поля образца, вызванного нагревом поверхности его через бесконечную полосу, температурному полю того же образца, но нагреваемого через прямоугольный участок поверхности, нами были получены размеры подложки (или эталона): (80 ´ 30 ´20) мм³.

Метод НК ТФС предусматривает начальное нулевое распределение тепла в эталоне и исследуемом теле, а, следовательно, если проведён эксперимент с одной подложкой (эталоном), то чтобы проводить эксперимент с использованием данной подложки, нужно выдерживать определённое время для восстановления условий на равномерное начальное распределение температуры. Поэтому возникла необходимость применения в зонде сменных идентичных подложек, позволяющих увеличить как производительность измерений, так и качество их (сказывается отсутствие погрешности измерения из-за неравномерности температурного поля в эталоне).

Важным фактором при конструировании зонда оказалась температура холодных спаев (х.с.) центральной термопары. Во время эксперимента нагрев исследуемого образца не превышает 10 ¸ 15 °С, поэтому достаточно незначительное изменение температуры х.с. термопары, чтобы погрешность измерения стала ощутимой. Поэтому возникла необходимость стабилизации температуры х.с., с этой целью в зонде предусмотрены катушки х.с. 4 и 5 (рис 7.7).

Рис. 7.7 Конструкция зонда

Корпус зонда выполнен в виде пустотелого прямоугольного параллелепипеда размерами (40 ´ 50 ´ 90)мм³ открытого с одной стороны. Внутри зонда на упругих пружинах крепится колодка из образцового материала (в нашем случае полиметилметакрилат), на внешней стороне которой приклеен плоский нагреватель, выполненный из константановой проволоки. По центральной оси нагревателя вделана хромель-копелевая или хромель-алюмелевая термопара, рабочий спай которой находится в центре нагревателя и фиксирует температуру U(0,0,t). Кожух или корпус 2 зонда представляет собой пустотелый параллелепипед, выполненный из металла. Внутри зонда на специальной платформе крепится подложка 1, выполненная из образцового материала. На подложке (рис. 7.7) закреплен плоский нагреватель2, выполненный из константановой проволоки. Нагреватель сделан прореженным, т.е. таким образом, чтобы каждая его отдельная проволока, идущая на поверхности подложки, не касалась другой, соседней с ней, между витками лежат витки интегратора температуры S_п(t). Это сделано для того, чтобы переток тепла не происходил по самому нагревателю, (l проволоки много больше, чем l исследуемых полимерных материалов) и не нарушалось температурное поле под реальным нагревателем.

Применение катушек холодного спая (для каждого электрода термопары) позволило избежать нарастания погрешности в измерении температуры от эксперимента к эксперименту в результате оттока тепла по коротким выводам термопары. Подложка имеет ширину большую, чем нагреватель. Это сделано для выполнения условий неограниченности исследуемого тела. Расчеты показали, что достаточно для полиметилметакрилата иметь подложку шириной 30 мм и толщиной 20 мм, чтобы сохранить адекватность физической модели математической.

Нижнее основание подложки закрепляется в основании3,на внутренней стороне которой крепятся катушки холодных спаев 4, 5 и разъём 8, для соединения преобразователя температуры с измерительным блоком прибора и нагревателя с блоком питания. Четыре опоры выполнены таким образом, что они легко входят в гнёзда 7. Это позволяет быстро заменять подложки от эксперимента к эксперименту.

По краю открытой стороны корпуса зонда приварена широкая кромка, к которой приклеена резиновая прокладка II, исключающая скольжение по поверхности исследуемого образца. На кромку опирается груз, который обеспечивает плотное поджатие подложки вместе с нагревателем к исследуемой поверхности. Плотное прижатие исключает контактное тепловое сопротивление и, соответственно, уменьшает погрешность в определении теплофизических характеристик исследуемых материалов. Для удобства работы зонд имеет ручку 12, прикреплённую к верхнему днищу зонда с внешней стороны.

На базе предложенного метода нами разработан и изготовлен прибор, блок-схема которого показана на рис. 7.8.

Рис. 7.8 Блок-схема устройства

Прибор состоит из следующих основных блоков и устройств:

1 Измерительная часть прибора служит для получения экспериментальной информации и ее преобразования. Состоит она из зонда, катушек холодных спаев (мостовой измерительной схемы) и аналого-цифрового преобразователя.

2 Блок управления прибора служит как для управления ходом эксперимента, т.е. задания теплового режима нагрева исследуемого образца, порядка сбора и регистрации информации, так и для управления автоматической обработкой результатов эксперимента с помощью подачи командных импульсов в контроллер или мини - ЭВМ.

Так как измерение температуры нужно проводить в 10 строго определённые моменты времени (7.58), в приборе сделан электронный секундомер с точностью 0,01 сек. Устройство секундомера такое, что он в нужные моменты времени посылает запускающий импульс на АЦП, который фиксирует сигналы преобразователя температуры.

В блок управления входят также генератор опорной частоты (ГОЧ), выполненный на высоко стабильном кварцевом генераторе и устройство задания теплового режима, позволяющее управлять процессом нагрева плоского нагревателя зонда.

3 Блок управления ввода данных в ЭВМ служит для согласования параметров выходных сигналов прибора для неразрушающего контроля ТФС с входными параметрами системы ввода данных в ЭВМ.