Введение к работе
Актуальность. Развитие важнейших отраслей техники, таких как атомная энергетика, авиация и космическая техника, радиотехника, современная технология химического производства и т. д. - потребовало создания большого количества новых конструкционных, тепло-и электроизоляционных материалов, обладающих более высокими, а иногда новыми свойствами и эксплуатационными характеристиками по сравнению с известными. Большой объем и сложность экспериментальных исследований по определению качества, долговечности и надежности синтезированных материалов требует как совершенствования традиционных, так и создания новых высокопроизводительных методов и средств контроля. Большой информативностью и широкими функциональными возможностями обладают активные тепловые методы контроля, которые позволяют получить информацию о внутреннем состоянии структуры исследуемых материалов и изделий по их теплофизическим характеристикам (ТФХ), к числу которых относятся тепло- и температуропроводность, теплоемкость и т. д. Оперативность и качество проведения теплофизического эксперимента по определению ТФХ исследуемых материалов значительно возрастают при использовании методов неразрушающего контроля (НК), отличительной особенностью которых является высокая производительность измерений и возможность проведения контроля качества материалов и изделий как на стадии их производства, так и эксплуатации.
Проведенные исследования показали, что существующие традиционные методы и средства НК ТФХ материалов и изделий не имеют' достаточного теоретического обоснования, характеризуются ограниченными функциональными возможностями по диапазону и классам исследуемых материалов. Кроме того, при разработке тепловых методов НК ТФХ в настоящее время уделяется недостаточное внимание метрологическому анализу результатов измерения. Это обусловлено рядом объективных причин, основной из которых является то, что топлофизические измерения отличаются сложностью,
2 являются косвенными или совокупными, связанными с измерениями тепловых и температурных полей. Поэтому традиционные для тепловых измерений методы метрологического анализа, опирающиеся на метрологический эксперимент, с помощью которого устанавливаются значения нормированных характеристик погрешностей результатов измерений, являются труднореализуемыми и дорогостоящими. Исследования показали, что при проведении метрологического анализа могут быть широко использованы расчетные методы, основанные на применении адекватных математических моделей объектов, процедур и средств измерений. Поэтому разработка математического описания объектов измерений, взаимоувязанных моделей измерительных процедур и процедур идентификации свойств материалов и изделий, формирование общих методов описания и верификации этих моделей является важной научной проблемой, решение которой позволяет сформировать базовое математическое измерительное обеспечение для тепловых методов НК ТФХ. Кроме того, наличие корректного математического описания объектов и условий измерения, измерительных процедур и средств измерений создает предпосылки для метрологического анализа результатов измерения на аналитической основе, позволяет синтезировать измерительные процедуры и средства с требуемыми свойствами и высоким метрологическим уровнем, повысить эффективность практического использования методов и средств НК ТФХ.
К указанной проблеме по своей физической сути тесно примыкает задача измерения толщины защитных покрытий (ТЗП) материалов и изделий, так как очень Часто именно этот параметр определяет надежность и работоспособность готовых изделий в наиболее важных и ответственных отраслях техники (ракетостроение, космическое аппаратостроение, атомная энергетика и т. д.), поскольку здесь тепловые режимы в объектах контроля строго регламентируются и получение оперативной информации о теплозащитных параметрах становится уже необходимым условием применения и эксплуатации этих изделий.
Цель работы заключается в развитии теории динамических измерений ТФХ и ТЗП материалов и готовых изделий без нарушении их целостности и эксплуатационных характеристик, разработке базового математического измерительного обеспечения неразрушаго-щего контроля искомых ТФХ и ТЗП, а также в метрологическом анализе типовых процедур измерения, выполняемых при проведении неразрушающего контроля, позволяющем синтезировать измерительные процедуры и средства с требуемыми свойствами.
Работа обобщает многолетние исследования и разработки, проведенные при непосредственном участии автора в Санкт-Петербургском Государственном электротехническом университете и Тамбовском Государственном техническом университете (ТГТУ). Исследования проведены в рамках реализации следующих координационных планов и государственных программ: комплексная программа "Теплофизика" за 1981-1985 гг., шифр 1.9.19 - "Методы, средства и метрологическое обеспечение теплофизичесгсих измерений", шифр 1.9.1.10 - "Разработка методов и средств неразрушающего контроля ТФХ теплоизоляции и конструкционных элементов, промышленной аппаратуры, газопроводов, теплопроводов"; координационный план НИР по направлению 1.3 "Физика твердого тела" на 1986-1990 гг., раздел "Неразрушающие физические методы контроля", шифр 1.3.10.5 "Исследование новых методов бесконтактной термометрии с использованием ИК-светодиодов в задачах тепловой дефектоскопии и технологического контроля"; координационный план НИР "Теоретические основы химической технологии" на 1986-1990 гг. -шифр 2.27.6.18 "Оптимизация и автоматизация непрерывных производств ', раздел "Разработка методов математического моделирования теплообменных процессов"; межвузовская научно-техническая программа Госкомобразования РСФСР "Создание высокоэффективных методов и приборов анализа веществ и материалов" на 1990-1993 гг.; межвузовская научно-техническая программа Госкомобразования РСФСР "Неразрушающий контроль и диагностика", раздел 4
4 "Оптические, радиоволновые и тепловые методы иеразрушающего контроля" на 1993-1997 гг.
Научная новизна. Разработаны теоретические основы измерения ТФХ и ТЗП материалов и готовых изделий без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик. На основе решения прямых и обратных задач теплопроводности при различных видах теплового воздействия на исследуемые объекты созданы физико-математические модели, являющиеся основой для разработки оперативных методов и алгоритмов иеразрушающего контроля ТФХ и ТЗП материалов и изделий.
Разработана методология построения моделей объектов и условий измерения, измерительных процедур и средств, на основе которой создано базовое математическое измерительное обеспечение иеразрушающего контроля ТФХ и ТЗП исследуемых материалов и изделий.
Разработан комплекс новых, защищенных авторскими свидетельствами и патентами высокопроизводительных методов (более 50), ориентированных на неразрушающии экспресс-контроль ТФХ и ТЗП материалов и изделий и являющихся основой алгоритмического обеспечения теплофизических измерений данного направления. Микропроцессорные приборы и измерительные системы, созданные на основе этих методов и новых принципов построения аппаратуры для иеразрушающего контроля ТФХ и ТЗП материалов, охватывают основные диапазоны и классы технически важных материалов и изделий, существенно упрощают процесс измерений и повышают производительность исследований (иногда в десятки раз), включают в себя структурно-алгоритмические методы повышения точности результатов измерений на основе адаптации и оптимизации измерительных процедур и цепей.
Впервые для неразрушающих методов контроля ТФХ и ТЗП материалов сформулирована и решена задача анализа и синтеза оптимального управления тепловым воздействием на. исследуемые физические объекты по критериям минимума затрат тепловой энергии
5 или времени на теплофизический эксперимент, применение которых позволило уменьшить неучтенные тепловые потери в ходе теплофи-зического эксперимента, что обусловило повышение точности разработанных методов и средств неразрушающего контроля.
Предложен подход к метрологическому анализу результатбв измерений ТФХ и ТЗП материалов и изделий, основанный на использовании математических моделей объектов, измерительных процедур и средств измерений. Для основных типовых уравнений измерений (моделей измерительных процедур и цепей) получены структуры полной погрешности измерений, проведена оценка вклада каждой компоненты в соответствующую характеристику указанной погрешности и выделены доминанты в составе полной погрешности. Подобный подход создает предпосылки для целенаправленного воздействия на источники погрешности, а также коррекции результатов измерений с целью повышения метрологического уровня методов и измерительных средств данного направления.
Экспериментально подтверждена корректность основных теоретических выводов, положенных в основу создания разработанных методов и средств неразрушающего контроля ТФХ и ТЗП, проведен сравнительный метрологический анализ и определены области наиболее целесообразного использования этих методов и средств в зависимости от диапазонов и классов исследуемых материалов.
На защиту пыпосятся:
-
Теоретические основы динамических измерений ТФХ и ТЗП материалов и изделий без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик, базирующиеся на математических моделях процессов теплообмена в исследуемых физических объектах при различных видах теплового воздействия, а также на моделях объектов и условий измерений, измерительных процедур и средств.
-
Комплекс новых контактных и бесконтактных высокопроизводительных методов и алгоритмов измерения, ориентированных на не-разрушающий экспресс-контроль ТФХ и ТЗП материалов и изде-
лий и являющихся основой создания базового алгоритмического обеспечения теплофизических измерений данного направления.
-
Теоретические основы анализа характеристик погрешностей результатов измерения ТФХ и ТЗП материалов и изделий на базе аналитических соотношений, формируемых l использованием математических моделей объектов, процедур, средств и условий измерений.
-
Анализ и синтез оптимального управления тепловым воздействием на исследуемые физические объекты по критериям минимума затрат тепловой энергии или времени на физический эксперимент, позволяющие существенно уменьшить неучтенные тепловые потери в ходе теплофизического эксперимента, что обуславливает значительное повышение быстродействия и точности разработанных методов и средств НК ТФХ и ТЗП материалов и изделий. '
-
Структуры информационно-измерительных систем (ИИС), реализующих предложенные в работе методы оперативного неразрушающего контроля ТФХ и ТЗП материалов и изделий.
-
Результаты экспериментальных исследований, подтвердившие корректность основных теоретических выводов, положенных в основу разработанных методов и средств НК ТФХ и ТЗП.
Практическая ценность работы. Разработанные теоретические основы измерения ТФХ и ТЗП материалов и изделий без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик реализованы в виде новых высокоэффективных методов и ИИС с повышенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
На основе разработанной методологии построения моделей объектов и условий измерения, измерительных процедур и средств, создано базовое математическое, алгоритмическое, программное и метрологическое обеспечение для неразрушающего контроля ТФХ и ТЗП исследуемых материалов и изделий.
Решение задачи анализа и синтеза оптимального управления тепловым воздействием на исследуемые физические объекты по критериям минимума затрат тепловой энергии или времени на теплофи-
7 зический эксперимент, позволило существенно уменьшить неучтенные тепловые потери при проведении теплофизических измерений, что обусловило повышение метрологического уровня разработанных методов и средств НК ТФХ и ТЗП материалов и изделий.
Практическая значимость исследований, обобщенных в диссертации, подтверждаегся также созданием и внедрением в практику комплекса автоматизированных высокопроизводительных рабочих средств для измерения ТФХ и ТЗП материалов и изделий без нарушения их целостности, в том числе:
ИИС "Термис" для оперативного неразрушагощего контроля ТФХ материалов теплозащитного покрытия космических аппаратов "Восток" и "Буран";
ИИС '""ермьс-СМ" для экспресс-контроля теплозащитных свойств строительных материалов, готовых конструкций и изделий;
ИИС "Экспресс-Т" для бесконтактного контроля ТЗП радиопрозрачных обтекателей летательных аппаратов;
ИИС "ИТСМ-580" для комплексных измерений технологических параметров стеновых панелей и строительных конструкций.
Разработанный метод количествен л ого аналі.за погрешностей и их характеристик позволил получить оценку вклада кгзкдой компоненты в соответствующую характеристику погрешности, выделить доминанты в состазе полной погрешности. для целенаправленного воздействия на источники погрешности и коррекции результатов измерений.
Предлагаемые принципы построения математических моделей объектов, измерительных процедур и средств, разработанное математическое, алгоритмическое и метрологическое обеспечение теплофизических измерений ТФХ и ТЗП материалов могут быть полезны широкому кругу проектировщиков и исследователей для практического решения задач оперативного неразрушающего контроля теплофизических свойств и характеристик исследуемых материалов.
Реализация ппучпо-тсхпических результатов...Основиые результаты теоретических и экспериментальных работ автора при не-
8 посредственном его участии внедрены в промышленность. В частности, эти результаты нашли применение при создании: ИИС неразрушающего контроля теплозащитных свойств материалов "Термис" для предприятия пл. В-2572 (г. Калининград); ИИС оперативного неразрушающего контроля ТФХ строительных материалов "Термис-СМ" для ЦНИЛ Главлипецкстроя (г. Липецк); измерительно-вычислительной системы (ИВС) "Экспресс-Т" НК ТЗП радиопрозрачных обтекателей в летательных аппаратах для предприятия ВХЗ (г. Владимир); ИВС оперативного НК ТФХ строительных материалов и изделий
"Термис-СМ" для проблемных лабораторий ВИСИ (г. Воронеж); ИВС "ИТСМ-580" неразрушающего контроля теплопроводности стеновых панелей для домостроительного комбината и экспериментального комбината полносборного домостроения (г. Тамбов); ИВС бесконтактного контроля ТФХ полимерных композиционных
изделий для МХТИ им. Д.И. Менделеева (г. Москва); ИИС бесконтактного технологического контроля температурных полей и ТФХ резинотехнических материалов и изделий для АО асбестовых и резинотехнических изделий "АРТИ" (г. Тамбов); методов, алгоритмов измерения и средств их реализации, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения №1117512, №1122955, №1388703 и т.д. (всего 14) и внедренных на предприятиях вышеуказанных городов;
Результаты работы по созданию контактных и бесконтактных методов и реализующих их ИИС неразрушающего оперативного контроля ТФХ и ТЗП материалов и изделий защищены авторскими свидетельствами и патентами России (53 изобретения).
Суммарный экономический эффект от внедрения результатов диссертации составляет более 66 миллионов рублей (в большинстве актов о внедрении экономический эффект указан в ценах до 1990 г.).
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедр "Конструирование радиоэлектронных и микропро-
9 цессорных систем" и "Автоматизированные системы и приборы" ТГТУ, а также на кафедрах Воронежского инженерно-строительного института и Московского химико-технологического института^
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на ГУ Всесоюзной научно-технической конференции (НТК) "Метрологическое обеспечение измерений при низких температурах" (Хабаровск, 1985 г.), НТК "Применение вычислительной техники и математических методов в научных исследованиях" (Киев, 1986 г.), НТК "Гибкие автоматизированные производства и роботизация технологических процессов" (Тамбов, 1986 г.), Всесоюзной НТК "Методы и средства теплофизических измерений" (Севастополь, 1987 г.), Все-, союзной НТК "Неразрушающие физические методы и средства контроля" (Москва, 1987 г.), Всесоюзном совещании молодых ученых "Новейшие исследования в области теплофизических свойств" (Тамбов, 1988 г.), I Всесоюзной НТК "Автоматизация и роботизация в химической промышленности" (Тамбов, 1988 г.), НТК "Ученые ВУЗа производству" (Тамбов, 1989 г.), Всесоюзной НТК "Моделирование САПР, АСНИ и ГАП" (Тамбов, 1989 г.),' Всесоюзной НТК "Теплофизика релаксирующих систем" (Тамбов, 1у9(Х.г.), Всесоюзной НТК "Математическое и машинное моделирование" (Боронеяс, 1991 г.), Международной теплофизической школе "Теплофизические проблемы промышленного производства" (Тамбов, 1992 г.), Всесоюзной НТК "Информационно-измерительные системы" (С-ПетерСург, 1991 г.), Международной НТК "Неразрушающий контроль в науке и инду-стрии-94" (Москва, 1994 г.), V Российской НТК с международным участием "Оптические, радиоволновые, теплсзые методы и средства контроля материалов, изделий и окружающей среды" (Севастополь, 1992 г.), VI Российской НТК с международным участием "Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства неразру-шающего .сонтроля" (Саратов, 1993 г.), Международной теплофизической школе "Повышение эффективности теплофизических исследований технологических процессов промышленного производства и их
10 метрологического обеспечения" (Тамбов, 1995 г.), ПІ Международном форуме "Тепломассообмен ММФ - 96" (Минск, 1996 г. ) и других Всесоюзных конференциях, симпозиумах, семинарах (всего 28), а также на НТК профессорско-преподавательского состава ТГТУ с 1980 по 1997 гг.
По теме диссертации опубликовано более 80 статей, докладов, авторских свидетельств и патентов, в том числе одна монография в соавторстве.
Разработки по диссертационной работе отмечены: в 1982г. Комсомольской премией им. Зои Космодемьянской в области науки и производства, в 1986-1989 гг. - 4-я серебряными медалями ВДНХ СССР, дипломами международных выставок (Финляндия-Хельсинки, 1987; Швейцария-Женева, 1987г.) и дипломом Федерации космонавтики СССР в 1989г.
Вклад автора. Научная постановка задач экспериментальных и теоретических исследований, решение основных теоретических, методических и практических вопросов, связанных с разработкой математического, алгоритмического и метрологического обеспечения НК ТФХ и ТЗП материалов и изделий, формулировка принципов проектирования ИИС оперативного неразрушающего контроля, разработка программ проведения теплофизических экспериментов и обработки результатов измерения выполнены лично автором диссертации.
Структура и объем работку Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и 7 приложений. Основная часть работы изложена на 260 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 42 таблицы и 141 наименование библиографического указателя. Приложения содержат 124 страницы текста, 29 рисунков, 34 таблицы и 25 документов об использовании результатов работы.