4 Перечень наиболее часто употребляемых условных обозначений
X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К);
а - коэффициент температуропроводности, м /с;
Т- температура, К;
х, у, z - пространственные координаты, м;
R — расстояние от точки нагрева до точки контроля температуры, м;
q - мощность теплового воздействия, Вт;
а - коэффициент теплоотдачи;
Р - коэффициент прозрачности окружающей среды;
8 - коэффициент излучения тела;
X* - результат измерения коэффициента теплопроводности, Вт/(м-К);
а* - результат измерения коэффициента температуропроводности, м2/с;
А^*, Да - абсолютные погрешности результатов измерений коэффици-ентов тепло- и температуропроводности, Вт/(м-К) и м /с соответственно;
8Х, 8а- относительные погрешности результатов измерений коэффициентов тепло- и температуропроводности, %;
Щ-] - математическое ожидание,
о[-] - среднеквадратическое отклонение (СКО) ,
V- скорость, м/с;
ИК- инфракрасный;
ТФС - теплофизические свойства;
НК - неразрушающий контроль.
5 ВВЕДЕНИЕ
Развитие многих отраслей промышленности требует применения не только уже известных материалов с заданными физико-химическими свойствами, но и создания и применения большого количества новых конструкционных, электроизоляционных, тепло- и хладостойких материалов, обладающих по сравнению с известными более высокими качественными свойствами и эксплуатационными характеристиками.
Сложность и большой объем экспериментальных исследований по определению качества, долговечности и надежности синтезированных материалов, а также готовых изделий, требуют как совершенствования традиционных, так и создания новых, более эффективных методов и средств контроля.
Актуальность работы. В случаях, когда применение изделий связано с протеканием в них тепловых процессов, необходимо иметь информацию о их теплофизических свойствах (ТФС), т.к. они являются параметрами, определяющими качество готового изделия. В практике определения ТФС материалов наибольшее развитие и распространение получили тепловые методы неразрушающего контроля (НК), характеризующиеся оперативностью и экономичностью, когда применение контактных методов контроля ТФС затруднено, либо невозможно, то наиболее целесообразно использовать бесконтактные методы оперативного НК, отличительной особенностью которых является высокая оперативность и производительность измерений, возможность широкого применения в автоматизированных системах управления (АСУ) технологического процесса (ТП). Достоверность и точность результатов измерения с помощью этих методов и средств зависят от многих немаловажных факторов, в частности, от выбора точек контроля избыточных температур на поверхности исследуемых объектов, от решения задач, связанных с учетом тепловых потерь в окружающую среду с поверхности контролируемых материалов и изделий и т.д. Гарантия сохранения целостности иссле-
дуемых объектов зависит от задания тепловых режимов при проведении теп-лофизического эксперимента. Поэтому актуальной задачей является создание методов и устройств, позволяющих учесть влияние данных факторов и тем самым, повысить точность контроля ТФС.
Кроме того, как известно, теплофизические измерения отличаются сложностью и трудоемкостью проведения измерительного эксперимента. Поэтому разработка новых бесконтактных методов и реализующих их устройств на базе микропроцессорной техники, позволяющих автоматизировать процесс контроля, повысить точность, оперативность, гарантирующих сохранение целостности исследуемых объектов, является актуальной задачей.
Надежность, работоспособность, а в итоге качество готовых изделий в наиболее ответственных отраслях техники (ракетостроение, космическое ап-паратостроение, атомная энергетика и т. д.) зависят от теплофизических параметров, так как здесь тепловые режимы в объектах контроля строго регламентируются и получение оперативной информации о теплозащитных параметрах становится уже необходимым условием применения и эксплуатации этих изделий. Поэтому разработка новых методов, позволяющих решать эту задачу, также является актуальной.
Цель работы. Разработка и внедрение в практику нового бесконтактного метода и реализующего его микропроцессорного устройства НК ТФС твердых материалов, позволяющего повысить оперативность и точность контроля искомых свойств.
Основные задачи работы
Для достижения поставленной цели необходимо:
- провести литературный обзор существующих методов и средств бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств;
- разработать математическую модель тепловых процессов в исследуемом объекте при бесконтактном тепловом воздействии на него от неподвижного точечного источника тепла, которая учитывает тепловые потери, оказы-
вающие существенное влияние на температурное поле исследуемого объекта при таком виде воздействия;
- определить диапазоны изменения основных параметров этой модели, при которых она адекватно описывает физический процесс распространения тепла в исследуемом объекте;
- разработать и исследовать на основе полученной физико-математической модели новый, более эффективный в метрологическом отношении бесконтактный метод НК ТФС твердых материалов;
- разработать микропроцессорное устройство, реализующее этот бесконтактный метод НК ТФС твердых материалов;
- провести метрологический анализ метода и устройства НК ТФС твердых материалов;
- осуществить экспериментальную проверку результатов работы и внедрить их в промышленное производство.
Методы и методики исследования
Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на аналитической теории теплопроводности, математической физике, операционном исчислении, математическом моделировании, метрологии и метрологическом эксперименте с использованием эталонных образцов материалов, а также на результатах выполнения научно-исследовательских работ на базах
кафедры "Криминалистика и информатизация правовой деятельности" Там-
i
бовского государственного технического университета, Тамбовского областного отделения "Российское общество по неразрушающему контролю и технической диагностике" (РОНКТД), а также ряда промышленных и научно-исследовательских организаций.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основе разработанной математической модели тепловых процессов в исследуемом объекте при бесконтактном тепловом воздействии на него от непод-
8
вижного точечного источника тепла, разработан новый бесконтактный метод контроля ТФС, имеющий достаточную для технологического контроля точность, большую оперативность, полную гарантию сохранения целостности объекта исследования и позволяющий значительно уменьшить влияние на результаты эксперимента состояния поверхности исследуемого объекта, ее степени черноты и происходящих с нее тепловых потерь; проведен метрологический анализ разработанного метода на аналитической основе.
Практическая ценность работы заключается в том, что для реализации в лабораторных и производственных условиях разработанного метода бесконтактного оперативного НК ТФС твердых материалов, который защищен патентом РФ на изобретение № 2251098, создано микропроцессорное устройство с соответствующим алгоритмическим и программным обеспечением, позволяющее контролировать ТФС широкого класса твердых материалов с высокой для теплофизических экспериментов точностью.
Реализация результатов. При непосредственном участии автора работы создано и внедрено измерительное устройство бесконтактного оперативного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов. Результаты диссертационной работы приняты к использованию в ОАО «Завод подшипников скольжения» (г. Тамбов) и ОАО «Тамбовполимермаш» (г. Тамбов).
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на XV Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Тамбов, 2002), VIII научной конференции (Тамбов, 2003), Школе-семинаре молодых ученых "Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции" (Тамбов, 2003), на IX научной конференции (Тамбов,
2004), 3-й международной конференции "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности" (Москва, 2004), Всероссийской научно-технической конференции «Энергосбережение и энергоэффективные технологии - 2004» (Липецк, 2004), Пятой Международной теплофизической школе "Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством" (Тамбов, 2004).
Публикации, По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе получен патент РФ на изобретение № 2251098.
Структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка используемых источников, работа изложена на 125 страницах, содержит 13 рисунков, 4 таблицы и 72 наименования библиографического указателя.
Автор благодарит кандидата технических наук Э.В. Сысоева за консультации при работе над диссертацией.
На защиту выносятся
1. Математическая модель тепловых процессов в исследуемых объектах при бесконтактном тепловом воздействии на них от неподвижного точечного источника тепла, учитывающая тепловые потери, оказывающие существенное влияние на температурное поле исследуемых объектов при указанном виде теплового воздействия.
2. Рекомендации по выбору диапазонов и соотношений основных параметров разработанной модели, при которых она адекватна физике тепловых процессов в исследуемых объектах.
3. Разработанный на основе полученной физико-математической модели новый, более эффективный в метрологическом отношении метод бесконтактного оперативного неразрушающего контроля ТФС твердых материалов, отличающийся высокой производительностью измерений и точностью, обу-
10
словленной существенным уменьшением влияния на результаты измерений тепловых потерь с поверхности исследуемых объектов в окружающую среду, а также отсутствием подвижных узлов, вносящих дополнительные погрешности.
4. Микропроцессорное устройство, реализующее разработанный метод НК ТФС твердых материалов.
5. Метрологический анализ разработанного метода с рекомендациями повышения его метрологического уровня.
11
1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ БЕСКОНТАКТНОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТФС
МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ
1.1 Общая характеристика проблемы измерения теплофизических свойств (ТФС) твердых материалов
В настоящее время во всем мире разрабатывается и производится огромное количество различных материалов и изделий, ТФС которых являются одними из важнейших параметров, определяющих их качество и технические характеристики. В связи с этим актуальной является задача оперативного определения ТФС материалов и изделий на всех стадиях производства и эксплуатации.
В теплофизических измерениях большое внимание уделяется неразру-шающим методам и средствам контроля, которые многие авторы [1-6] рекомендуют использовать как на стадии технологического контроля в процессе производства материалов, так и для прогнозирования надежности и работоспособности готовых изделий при различных режимах их эксплуатации.
Актуальность решения этой задачи обусловила целый ряд исследований [2, 4, 5, 7, 8], направленных на разработку и создание методов и измерительных средств, позволяющих определять ТФС материалов и изделий без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик.
В современной экспериментальной теплофизике существует две большие группы методов определения ТФС - стационарные и нестационарные [3, 9-24].
Определение ТФС методом стационарного теплового потока основано на том, что тепловой поток, проходящий через исследуемое тело во время проведения измерений, сохраняется постоянным по величине и направлению. Существующие многочисленные методы измерения ТФС [12, 13, 19, 22-24]
12 отличаются друг от друга способами учета и компенсации потерь тепла,
формами и размерами исследуемых образцов, размещением нагревателей, конструкцией измерительных ячеек и зондов, приемами регистрации и обработки измерительной информации.
Определение ТФС при помощи стационарных методов сопровождается нарушением целостности исследуемого материала или изделия. А такие недостатки, как большая продолжительность эксперимента (десятки часов), возможность определения в процессе измерений только одного теплофизиче-ского параметра - коэффициента теплопроводности А,, сложность аппаратуры и самого эксперимента, делает использование таких методов непригодными для большинства практических задач.
Нестационарные методы определения ТФС [10, 11, 14, 16, 18, 21-25] основаны на закономерностях нестационарного потока тепла; их можно разделить на три группы:
1) методы регулярного теплового режима;
2) методы квазистационарного теплового режима.
3) методы, основанные на определении параметров нестационарного температурного поля в первой стадии его развития;
Методы регулярного теплового режима, общая теория которых была разработана Кондратьевым Г. М. [12, 13] и его учениками, базируется на экспериментальном определении так называемого "темпа нагрева" при определенных граничных условиях. Общими недостатками методов регулярного режима являются значительная продолжительность экспериментов (поскольку для большинства исследуемых материалов регулярный режим наступает через сравнительно большой промежуток времени) и необходимость использования во многих из них эталонных образцов.
Квазистационарный тепловой режим наступает в ограниченной системе, помещенной в среду, температура которой изменяется с постоянной скоростью (описывается линейной функцией времени). По прошествии достаточного длительного промежутка времени с момента начала процесса ско-
13
рость изменения температуры любой точки системы становится равной скорости изменения температуры среды. Такое состояние тела Лыковым А. В. [16, 26] названо квазистационарным режимом. Различным вариантам этого метода определения ТФС посвящены работы [12, 25, 27], в которых рассмотрены варианты измерения теплофизических свойств образцов цилиндрической формы конечных размеров, стержней, многослойных систем и т. д.
Основными недостатками квазистационарных методов являются длительность эксперимента и значительная погрешность при определении скорости возрастания температуры в контролируемых точках, поскольку термограмма нагрева имеет пологий характер с асимптотическим приближением к горизонтальной прямой, возможность проведения измерений только на образцах определенной формы, что затрудняет применение этих методов для неразрушающего контроля ТФС материалов.
Наиболее приемлемыми для оперативного неразрушающего контроля ТФС материалов и изделий являются методы и алгоритмы измерения, основанные на определении параметров нестационарного температурного поля в начальной стадии его распространения.
1.2 Обзор и анализ измерительных средств бесконтактного неразрушающего контроля ТФС твердых материалов
Рассмотрим нестационарные методы определения ТФС применительно к их использованию для оперативного неразрушающего контроля материалов и изделий.
Под неразрушающим контролем ТФС подразумевают задачу определения теплофизических параметров материалов и готовых изделий без нарушения их эксплуатационных, в первую очередь прочностных и теплозащитных характеристик. Такая задача часто возникает при повышенной ответственно-
14
сти изделия в эксплуатации и при строго регламентируемых тепловых режимах его применения.
По виду измеряемой величины методы неразрушающего контроля можно разделить на три основные группы: методы и устройства определения коэффициента тепловой активности Ъ = к\4а, методы определения коэффициента теплопроводности X и методы и средства комплексного определения коэффициентов тепло- и температуропроводности А, и а.
По виду взаимодействия между измерительным устройством и испытываемым материалом все методы и реализующие их измерительные средства можно разделить на две большие группы: контактные и бесконтактные. Контактных методы и средства НК ТФС нашли более широкое применение, однако большим недостатком контактных методов является наличие термосопротивлений, вносящих значительные погрешности в результаты измерений. В последнее время отмечается рост числа бесконтактных методов и измерительных средств, достоинством которых является высокое быстродействие, дистанционность, возможность контроля при одно- и двустороннем доступе к изделию, теоретическая возможность контроля практически любых материалов, многопараметрический характер испытаний, меньшая зависимость результатов контроля от шероховатости поверхности по сравнению с другими видами НК, возможность поточного контроля и управления технологическими процессами. Расширение номенклатуры и доступность серийной инфракрасной измерительной и теплофизической аппаратуры также способствует разработке и внедрению новых бесконтактных методов и средств НК ТФС материалов и изделий. Принцип действия бесконтактных методов теплового неразрушающего контроля основан на регистрации собственного теплового излучения с поверхности исследуемых материалов и изделий, пропорционального четвертой степени абсолютной температуры [28-42].
Бесконтактные методы НК ТФС материалов можно также разделить на две группы - методы, использующие подвижный источник тепла, и методы с неподвижным источником.
15
В работе [32] рассматривается бесконтактный метод активного теплового контроля качества материалов и изделий, основанный на нагреве исследуемых тел подвижным непрерывным или импульсным точечным источником энергии с регистрацией температуры нагреваемой поверхности одним термоприемником, движущимся вслед за источником тепла с той же скоростью.
Автор приводит результаты расчета параметров распределенного источника тепла, необходимые для анализа температурного поля при нагреве плазмотроном, дает рекомендации по уменьшению влияния излучения источника, отраженного от поверхности изделия, на результаты контроля.
Недостатками данной работы являются отсутствие теоретического обоснования метода и рассматривается возможность его применения только для обнаружения дефектов в изделиях. В работе также не рассматриваются вопросы метрологического анализа, что не позволяет оценить точность этого метода при НК ТФС материалов и изделий.
В работе [33] рассматривается бесконтактный способ контроля дефектов и теплофизических параметров материалов. Способ заключается в регистрации фотоприемником, синхронно и независимо, от одной и той же зоны объекта, имеющего температуру в диапазоне 400 - 600 К, в двух спектральных диапазонах 2-5 мкм и 8 - 14 мкм фотосигналов и скорости их изменения, вызванных ИК-излучением из нагретой коротким импульсом лазера точечной зоны объекта, и определении теплофизических параметров и глубины залегания дефектов путем деления отношения скорости изменения к сигналу одного спектрального диапазона на отношение скорости изменения к сигналу другого спектрального диапазона. Для этого используется двухспектральный РЖ-фотоприемник типа сэндвич, чувствительные элементы которого имеют идентичные пространственно-частотные характеристики. Способ устраняет влияние излучательной способности объекта на результаты измерений и дает возможность повысить инструментальную точность за счет исключения аппаратных функций обоих спектральных диапазонов.
16
В этой работе, как и в предыдущей, отсутствует теоретическое обоснование метода и не рассматриваются вопросы метрологического анализа, что затрудняет возможность применения этого метода для НК ТФС материалов и изделий.
В работах [28-31, 33-37, 39-42] рассматриваются методы бесконтактного неразрушающего контроля уже теплофизических свойств материалов и изделий. В основу этих методов оптического сканирования положен нагрев исследуемых тел сосредоточенным источником тепловой энергии, движущимся по прямой линии на поверхности образца с постоянной относительно него скоростью, регистрацией предельных избыточных температур на линии движения источника термоприемником, перемещаемым относительно исследуемого образца с той же скоростью и с фиксированной задержкой относительно него.
Методы, приведенные в работах [28-30], отличаются друг от друга тем, что в одних дополнительно измеряются интервалы времени до достижения заданных температурных режимов, в других осуществляется смещение области измерения избыточных температур на линию, параллельную линии движения источника энергии.
К недостаткам рассмотренных методов следует отнести отсутствие учета тепловых потерь, происходящих с поверхности исследуемого объекта в окружающую среду, влияние степени черноты и состояния поверхности и т.д. Кроме того, во всех работах отсутствует анализ погрешностей и их характеристик.
В работах [33-35] рассматриваются методы неразрушающего контроля ТФС материалов, в которых для уменьшения погрешности определения ТФС вводится дополнительно измерение избыточных температур на эталонных образцах. Так, в работе [33] последовательно с исследуемым образцом дополнительно устанавливают эталонный образец, измеряют их начальные температуры, затем включают сосредоточенный источник тепловой энергии и перемещают его вместе с датчиком температуры с постоянной скоростью
17
над поверхностями эталона и образцов, контролируют их предельную температуру по линии движения источника и определяют теплопроводность по следующей формуле: Т
где Яут - теплопроводность эталона; Т и Тэт - избыточные предельные температуры на поверхности соответственно образца и эталона.
Недостатками этого метода являются определение только одного теп-лофизического параметра, невысокая оперативность и производительность измерений.
В работах [34, 35] описаны методы и устройства, которые позволяют определять уже комплекс теплофизических свойств. Измерительные процедуры этих методов схожи друг с другом. Их отличие заключается в том, что во втором устройстве используется 4 термоприемника. К недостаткам этих методов следует отнести сложность их реализации, упрощение математической модели, описывающей тепловой процесс при бесконтактном тепловом воздействии, отсутствие учета тепловых потерь, происходящих с поверхности исследуемого объекта в окружающую среду. Кроме того, во всех работах отсутствует анализ погрешностей и их характеристик, что также является недостатком этих разработок.
В работе [37] описывается метод, в котором тепловое воздействие и регистрацию избыточных температур осуществляют на поверхности тела при перемещении точек воздействия и регистрации с постоянной скоростью вдоль поверхности. Воздействие осуществляется точечным источником, перемещаемым по прямой линии, избыточные температуры регистрируются с некоторым отставанием на той же линии и на параллельной ей. Точки регистрации выбирают так, чтобы обеспечить регистрацию заданных значений избыточных температур, а искомые теплофизические характеристики определяют из следующих соотношений: |
