Введение к работе
Частично прозрачные для теплового излучения материалы (ЧПМ). к которым относятся стекла, кристаллы диэлектриков и полупроводников, полимеры, органические жидкости, пористая керамика, волокнистая теплоизоляция, находят широкое применение в различных отраслях науки и техники. Выделение этих материалов d отдельную группу обусловлено особенностью распространения энергии в них, проявляющейся в одновременном переносе ее излучением и теплопроводностью (а в жидкостях и конвекцией), что требует применения специальных методов н средств контроля теплового состояния (КТС) как самих ЧПМ, так и изделий из них. Определение теплового состояния изделий, характеризуемого полями температуры Т и плотностей потоков энергии, переносимой излучением QR и теплопроводностью Qc, связано с решением внутренней задачи контроля, которую в большинстве практически значимых случаях экспериментально решить невозможно. Поэтому целесообразно свести внутреннюю задачу контроля к внешней, то есть экспериментально измерять лишь температуры границ изделия, а искомые поля температуры и плотностей потоков энергии определять расчетным методом с использованием информации о физических' свойствах изделия и его границ.
Актуальность работы. Изделия из частично прозрачных материалов (кор-. пуса химических 'реакторов, разделительные перегородки высокотемпературных установок, иллюминаторы и теплозащитные покрытия объектов ракетно-космической техники, щелевые каналы специальных комплексов) работают в жестких тепловых условиях. Экологическая безопасность и необходимость создания ресурсосберегающих технологий предусматривают контроль теплового состояния изделий как на стадии разработки, так и на стадии^про-изводства и применения. Наиболее распространенные контактные методы контроля температурных полей не применимы к ЧПМ, поскольку сигнал датчиков температуры определяется не локальной температурой, а температурным полем всего объема ЧПМ и его оптическими свойствами. При бесконтактном контроле не происходит также нарушение внутреннего и внешнего состояний соответствующих изделий, что и предопределило разработку именно бесконтактных методов и средств КТС изделий из ЧПМ. С
практической точки зрения этот контроль связан с разработкой и созданием методов и средств измерения температуры граничных поверхностей ЧПМ, температурных перепадов Л Т частично прозрачного материала и с решением прямой (определение полей Т, QR и Qc) задачи радиационно-кондуктивного переноса энергии (РКПЭ). Кроме того, непосредственный контроль температурных полей внутри ЧПМ в технологическом процессе, например, при выращивании монокристаллов фтористого лития, чрезвычайно затруднен химической активностью самого частично прозрачного материала. Вместе с тем для решения этой задачи необходимы данные по истинному коэффициенту теплопроводности Л частично прозрачных материалов, которые могут быть получены только в результате решения обратной задачи теплопроводности (ОЗТ) в условиях РКПЭ. Анализ литературных данных, приводимых разными авторами по Л одного и того же ЧПМ в условиях совместного переноса энергии показал, что различие между представляемыми результатами достигает сотен процентов. Кроме того, практически полностью отсутствует метрологический анализ результатов решения прямой и обратной задач РКПЭ. Это обусловлено как сложностью математической модели процесса так и его многопараметричностью. Интенсивному исследованию в последние годы бесконтактных методов и средств теплового контроля способствовала разра-~ ботка эффективных методов генерации высоких плотностей энергии, основанных, например, на использовании лазерного излучения, обеспечивающих режим абляции на поверхности изделия, подвергшегося соответствующему воздействию. Особый интерес представляет бесконтактный КТС изделий из ЧПМ непосредственно в технологическом процессе, например, при плазменной обработке (ПО) кварцевых труб (КТ). Таким образом, разработка математических методов расчета температурных и энергетических полей в ЧПМ и математических моделей средств измерения, проектирование специализированных приборов контроля, учитывающих индивидуальные особенности оптических свойств ЧПМ, и развитие методов метрологического анализа РКПЭ являются базой приборно-методического обеспечения бесконтактных методов КТС изделий из ЧПМ.
Целью работы являлось создание методологии и теоретических основ бесконтактного метода контроля теплового состояния изделий из частично прозрачных для теплового излучения материалов.
Автор защищает:
- методологию и теоретические основы бесконтактного метода КТС изде
лий из ЧПМ, основанных на феноменологической теории совместного перено
са . энергии излучением и теплопроводностью и физико-математических
моделях объектов, условий измерений и приборов контроля;
-' бесконтактные методы измерения температуры и температурных перепадов высоко- и низкотемпературных изделий из ЧПМ по их собственному электромагнитному излучению в той спектральной области, где коэффициент отражения самого ЧПМ мал;
установку для плазменной обработки кварцевых труб, содержащую инфракрасный пирометр (ИК) частичного излучения, позволившую впервые предложенным динамическим методом определить толщину удаленного поверхностного слоя КТ в технологическом процессе ее ПО и исследовать тепловые и кинетические параметры процесса;
результаты математического моделирования процесса РКПЭ в плоском слое селективного ЧПМ с произвольными границами;
алгоритм и результаты метрологического анализа раднационно-коидуктивного переноса энергии с использованием метода малых возмущений;
анализ и синтез оптимального (по минимуму систематической погрешности) алгоритма бесконтактного метода определения коэффициента теплопроводности частично прозрачных материалов при высоких температурах;
комплекс новых бесконтактных методов и алгоритмов обработки информационно-измерительных параметров системы контроля теплового состояния изделий из ЧПМ; .
установку для исследования РКПЭ и определения /1 ЧПМ, содержащую дифференциальный инфракрасный пирометр частичного излучЪния, позволившую установить температурную зависимость коэффициента теплопроводности различных марок оптического кварцевого стекла, в том числе в ранее недоступном диапазоне высоких температур.
Научная новизна работы
Разработаны методология и теоретические основы бесконтактного метода контроля теплового состояния изделий из частично прозрачных для теплового
излучения материалов, что позволило свести внутреннюю задачу контроля теплового состояния изделий из частично прозрачных материалов к внешней.
Предложен бесконтактный метод определения коэффициента теплопроводности ЧИМ при высоких температурах, исключающий ряд принципиальных недостатков, присущих традиционной (контактной) схеме определения Л (наличие трудно устранимых контактных термических сопротивлений между образцом и ограничивающими его поверхностями; химическое взаимодействие при высоких температурах между образцом исследуемого ЧПМ и материалом нагревателя (холодильника), а при достаточно длительном эксперименте и их взаимная диффузия; практическая сложность выполнения предварительного высокотемпературного отжига металлов, из которых изготовлены нагреватель и холодильник, для стабилизации их оптических свойств) и позволивший исследовать в интервале температур 600-15QOK, причем при температурах 110Q-1500K впервые, зависимость коэффициента теплопроводности оптического кварцевого стекла от температуры.
Разработана методология метрологического анализа прямой и обратной задач РКПЭ, позволившая впервые с единых позиций выполнить как системные исследования влияния погрешностей определения оптических свойств границ и самого ЧПМ, а также экспериментально измеряемых параметров системы нагреватель - изделие из ЧПМ - холодильник на точность решения задач РКПЭ, так и аналитический обзор с метрологическим анализом опубликованных за последние ~90 лет данных по температурной зависимости коэффициента теплопроводности оптического кварцевого стекла.
С единых методических позиций выполнено математическое моделирование переноса энергии и средств измерения, что позволило создать инвариантные по отношению к основным дестабилизирующим факторам алгоритмы обработки информации, с использованием которых определены малые разности (~50К) высоких температур (-1300К) с относительной погрешностью е ~3% и коэффициента теплопроводности оптического кварцевого стекла с. є ~8%.
Разработан бесконтактный метод определения толщины удаленного поверхностного слоя изделия из ЧПМ. при воздействии на него в технологическом процессе высококонцентрированным источником энергии, использующем инфракрасный пирометр частичного излучения в качестве
первичного преобразователя средства технического зрения гибких автоматизированных производств.
Предложен метод, построена математическая модель, систематизированы требования, классифицированы способы и выполнено метрологическое исследование процедуры перехода от потока собственного электромагнитного излучения контролируемого изделия к его температуре, что эквивалентно Переходу от качественного теплового контроля к количественному. Метод позволил впервые с тщательным метрологическим анализом выполнить исследование поля температуры источника вторичного электропитания с помощью широкоспектральной оптико-электронной системы (ОЭС). . Практическую ценность работы представляют:
результаты контроля толщины удаленного поверхностного слоя с кварцевых труб в технологическом процессе их плазменной обработки и созданные для этих целей средства контроля (а.с. №1143993);
алгоритмы и компьютерные программы численного решения прямой и обратной задач РКПЭ в плоском слое конденсированной селективной среды с произвольными границами, которые включены в Государственный фонд алгоритмов и программ и по которым проведена экспертиза на новизну (П003058 и П003059);
результаты метрологического исследования контактного и бесконтактного методов определения коэффициента теплопроводности ЧПМ в условиях РКПЭ и оптимизации ОЗТ в условиях РКПЭ для бесконтактного метода с целью выявления информативных параметров (а.с. №№748148,767631, 1183878, 1267240,1352332);
установленная температурная зависимость коэффициента теплопроводности оптических кварцевых стекол в области высоких температур, а также результаты вычисления истинного коэффициента теплопроводности ЧПМ по их эффективному коэффициенту теплопроводности Л', известному по оригинальным литературным источникам;
результаты метрологического исследования теплового состояния низкотемпературных изделий с использованием бесконтактных методов контроля по их собственному электромагнитному излучению (а.с. №№1111085, 1311403, 1505143, 1654732,1654734, 1728680 и патент №1804592);
- рекомендация об использовании оптического кварцевого стекла в качестве эталонного вещества при определении Л ЧПМ в условиях совместного переноса энергии излучением и теплопроводностью и проверке качества алгоритма и программы численного решения задачи РКПЭ.
Результаты данной работы использованы в научно-исследовательской практике ряда организаций и предприятий: ГосНИИ кварцевого стекла (Санкт-Петербург), ВНИИ электротермического оборудования (Москва), ОИВТ РАН (Москва), ВНИПКИ стекольного машиностроения (Москва), АО "Ценгравтоматика" (Воронеж), МГГА (Москва), ГосНПО "Альтаир" (Москва), НИИ технического стекла (Москва) и др., а также в учебном процессе кафедр "Автоматизированные системы производства" ТИХМ, "Системы автоматического управления и контроля" МИЭТ, "Технической физики и физики горных пород" МГГА и "Радиоприборы" и "Технологические основы радиоэлектроники" МГИРЭА.
Результаты работы защищены 12 авторскими свидетельствами на изобретения и одним патентом.
Достоверность результатов. Достоверность разработанных алгоритмов и компьютерных программ проверена сопоставлением численных результатов, полученных с их помощью, с известными и наиболее точными литературными данными, установленными в результате численных или асимптотических решений другими авторами. Адекватность математической модели РКПЭ натурным условиям, реализованным в экспериментальной установке для исследования РКПЭ и определения Л ЧПМ при высоких температурах, и используемым оптическим свойствам системы нагреватель - образец ЧПМ -холодильник подтверждена сопоставлением экспериментальных и расчетно-теоретических значений соответствующих величин. Достоверность результатов определения толщины удаленного поверхностного слоя с КТ при ее ПО с применением предложенного динамического метода установлена сопоставлением с результатами, найденными" весовым метод. Достоверность полученной информации по Л доказана (в условиях незначительного переноса энергии излучением по сравнением с теплопроводностью) сравнением с надежными литературными данными ВНИИМ им. Д.И. Менделеева и убедительно подтверждена полученными позже (~ через 15 лет) результатами других авторов (МАИ).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV Всесоюзной конференции по радиационному теплообмену (Киев, 1978г.), VI Всесоюзной конференции по тепло-физическим свойствам веществ (Минск, 1978г.), семинаре "Автоматизация, моделирование и средства регулирования процессов роста монокристаллов" (ГОИ им. СИ. Вавилова, 1978г.), семинаре "Геология, методы поисков, разведки и оценки месторождений камнесамоцветного сырья" (ВНИИ синтеза минерального сырья, 1978г.), VII Всесоюзном научно-техническом совещании по электротермии и электротермическому оборудованию (Новосибирск, 1979г.), VI Всесоюзной конференции по тепломассообмену (Минск, 1980г.), V Всесоюзной научно-технической конференции "Радиационный тепло обмен"(Ставрополь, 1982г.), V Всесоюзной научно-технической конференции по кварцевому стеклу (Ленинград, 1983г.), IX Всесоюзной конференции "Конструкция и технология получения изделий из неметаллических материалов (Обнинск, 1984г.), IV Всесоюзном симпозиуме по плазмохими» (Днепропетровск, 1984г.), V Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития средств измерения температуры" (Львов, 1984г.), Всесоюзной конференции "Обратные задачи радиационного и радиа-ционно-кондуктивного теплообмена в теплофизике" (Суздаль, 1985г.), И Межвузовской научно-технической конференции "Радиоволновые, оптические и тепловые методы и средства неразрушающего контроля материалов и изделий" (Одесса, 1985г.), III Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений в области высоких температур" (Харьков, 1986г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства теплофизических измерений" (Севастополь, 1987г.), IV Всесоюзной конференции "Тепловизионная медицинская аппаратура и практика ее применения" (Ленинград, 1988г.), семинаре 'ЧТм-пульсные источники вторичного электропитания. Состояние и перспективы развития" (Севастополь, 1989г.), V Всесоюзной конференции "Тепловизионные приборы для медицины и неразрушающего контроля в промышленности" (Красногорск, 1991г.), XXXI-XLV ежегодных научно-технических конференциях МГИРЭА (Москва, 1982-199бгг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 65 печатных работ.
Разработка по диссертационной работе в 1988г. отмечена серебряной медалью ВДНХ СССР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложений.
