Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих методов и средств бесконтактного неразрушающего контроля ТФС материалов и изделий 11
1.1 Общая характеристика проблемы измерения теплофизических свойств (ТФС) твердых материалов 11
1.2 Обзор и анализ измерительных средств бесконтактного неразрушающего контроля ТФС твердых материалов 13
1.3 Постановка задачи исследования 34
1.4 Выводы 35
2 Математическая модель тепловых процессов в исследуемых объектах при бесконтактном тепловом воздействии на них от неподвижного точечного источника тепла 36
2.1 Математическая модель температурного поля с учетом тепловых потерь в окружающую среду 42
2.2 Адекватность математической модели температурного поля в зависимости от области изменений основных ее параметров 48
2.3 Выводы 50
3 Метод бесконтактного оперативного неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов 51
4 Микропроцессорное измерительное устройство бесконтактного оперативного НК ТФС твердых материалов 63
4.1 Общие рекомендации по выбору типов источника тепла и термоприемников при разработке систем, реализующих бесконтактные методы НК ТФС материалов 63
4.2 Микропроцессорное устройство бесконтактного оперативного НК ТФС твердых материалов 66
4.3 Алгоритм работы микропроцессорного устройства 69
4.4 Выводы 70
5 Экспериментальные исследования метода бесконтактного оперативного НК ТФС твердых материалов 71
5.1 Анализ погрешностей разработанного метода 71
5.2 Экспериментальные исследования метода и измерительного устройства бесконтактного оперативного НК ТФС твердых материалов 77
5.3 Выводы 83
Заключение 85
Список использованной литературы 87
Приложения 95
- Обзор и анализ измерительных средств бесконтактного неразрушающего контроля ТФС твердых материалов
- Адекватность математической модели температурного поля в зависимости от области изменений основных ее параметров
- Метод бесконтактного оперативного неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов
- Микропроцессорное устройство бесконтактного оперативного НК ТФС твердых материалов
Введение к работе
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 от
ношении 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-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-
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
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.
Рекомендации по выбору диапазонов и соотношений основных параметров разработанной модели, при которых она адекватна физике тепловых процессов в исследуемых объектах.
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-
словленной существенным уменьшением влияния на результаты измерений тепловых потерь с поверхности исследуемых объектов в окружающую среду, а также отсутствием подвижных узлов, вносящих дополнительные погрешности.
Микропроцессорное устройство, реализующее разработанный метод НК ТФС твердых материалов.
Метрологический анализ разработанного метода с рекомендациями повышения его метрологического уровня.
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 ответственности 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 А, и методы и средства комплексного определения коэффициентов тепло- и температуропроводности Хиа.
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. 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. 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.
Адекватность математической модели температурного поля в зависимости от области изменений основных ее параметров
Адекватность как модели (2.1), так и модели (2.14) зависит от правильного выбора диапазонов изменения следующих основных ее параметров: расстояния R от пятна источника тепла до рассматриваемой точки тела, времени с начала воздействия источника тепла и радиуса го пятна точечного источника тепла. Первый параметр определяет выбор точки контроля, а остальные два параметра - степень теплового воздействия на исследуемый объект.
Экспериментальные исследования показали (приложение 2), что расчетные значения температур, определяемые на основании выражения (2.14) на расстояниях R, близких по значению к радиусу г0 пятна точечного источника тепла, имеют значительные расхождения с реальными значениями температур даже при малых тепловых потерях. Их расхождения тем больше, чем меньше R, и могут достигать при измерениях 40%. Это объясняется тем, что при таких расстояниях R источник тепла нельзя рассматривать как точечный источник. В этой области значения температур получаются при решении уравнения теплопроводности уже в рамках модели кругового источника тепла. При увеличении расстояния R до величины, равной восьмикратному значению диаметра пятна точечного источника расхождение между реальными и расчетными значениями температур, определяемых по выражению (2.14) составляет не более 5%. Кроме того, во многих работах [11, 16, 26] источник тепла считается точечным, когда его размеры (диаметр пятна - 2-г0) составляют не более 10 % расстояния между источником и точкой контроля.
Таким образом, выражение (2.14) справедливо при расстоянии R от центра пятна нагрева до рассматриваемой точки тела, большем, чем десятикратное значение диаметра этого пятна.
Расстояние R от пятна нагрева определяет выбор точки контроля температуры. Как уже было сказано выше, одним из главных критериев дости 49 жения адекватности модели (2.14) является выполнение условия— 0,0003.
Расчеты показали, что несоблюдение данного условия ведет к значительным расхождениям реального и приближенного значений функции интеграла вероятности, и соответственно, к расхождению реально измеренных температур и температур, полученных по модели.
С другой стороны, необходимо правильно выбрать значение диаметра луча используемого лазера. Правильный выбор данного параметра позволяет уменьшить величину R до значений, удовлетворяющих ограничениям, накладываемым на модель (2.14) в связи с заменой функции ошибок ее приближенным значением.
Ограничения, накладываемые на параметры модели (2.14), учитываются непосредственно при реализации разрабатываемых бесконтактных методов неразрушающего контроля ТФС материалов. А именно, расстояние R от пятна источника тепла до точки контроля на поверхности исследуемого тела выбирается так, чтобы его значение было больше десятикратного значения диаметра пятна точечного источника.
Кроме того, для обеспечения адекватности математической модели реальным теплофизическим процессам в исследуемом материале, необходимо соблюдать условие —== 0,0003 м/с,/2. Таким образом, в условиях недостал/т точной априорной информации о ТФС испытуемых материалов обеспечивается расширение возможностей предложенного метода по диапазонам и классам исследуемых материалов.
1. Разработана математическая модель тепловых процессов в иссле дуемых объектах при бесконтактном тепловом воздействии на них от непод вижного точечного источника тепла, учитывающая тепловые потери, оказы вающие существенное влияние на температурное поле исследуемых объек тов при указанном виде теплового воздействия. Расхождение реальных зна чений температур и расчетных, определяемых по разработанной модели, не превышает 5%.
2. Определены основные параметры разработанной математической модели, оказывающие наибольшее влияние на ее адекватность тепловым процессам, происходящим в исследуемых объектах. К ним относятся коэф фициент излучения поверхности тела Б, суммарные потери, вызванные кон вективным и лучистым теплообменом между поверхностью тела и окружающеи средой q , а также соотношение —=. л/т
3. Доказано, что основное влияние на адекватность разработанной мо дели оказывают правильное задание диапазонов изменения расстояния R от источника тепла до точек контроля температуры на поверхности тела и мо ментов времени фиксации температуры в точках контроля, а также радиус г0 пятна точечного источника тепла. Даны рекомендации по выбору диапазонов и соотношений между этими параметрами, при соблюдении которых сущест венно повышается адекватность модели, описывающей тепловые процессы в исследуемых объектах.
Разработан новый метод бесконтактного неразрушающего контроля ТФС твердых материалов и изделий из них [51,52,54,56,57], отличающийся высокой производительностью измерений и точностью, обусловленной существенным уменьшением влияния на результаты измерений тепловых потерь с поверхности исследуемых объектов в окружающую среду и отсутствием недостатков, присущих методам, использующим подвижные источники тепла.
После этого термоприемником 4 измеряют температуру поверхности исследуемого объекта. Одновременно с этим, используя высокоточный электрический термометр, измеряют температуру окружающей среды. В результате, используя отношение средней температуры, измеренной термоприемником на поверхности исследуемого объекта, к температуре окружающей среды, определяют коэффициент к, учитывающий потери, обусловленные поглощением части энергии лазерного луча окружающей средой, а также частичным отражением лазерного луча от поверхности исследуемого объекта.
Метод бесконтактного оперативного неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов
Разработан новый метод бесконтактного неразрушающего контроля ТФС твердых материалов и изделий из них [51,52,54,56,57], отличающийся высокой производительностью измерений и точностью, обусловленной существенным уменьшением влияния на результаты измерений тепловых потерь с поверхности исследуемых объектов в окружающую среду и отсутствием недостатков, присущих методам, использующим подвижные источники тепла.
Сущность данного метода заключается в следующем. Над исследуемым образцом 1 помещают точечный источник тепловой энергии 2 и два термоприемника 3 и 4, сфокусированных на поверхность, подверженную тепловому воздействию (см. рис 3.1).
После этого термоприемником 4 измеряют температуру поверхности исследуемого объекта. Одновременно с этим, используя высокоточный электрический термометр, измеряют температуру окружающей среды. В результате, используя отношение средней температуры, измеренной термоприемником на поверхности исследуемого объекта, к температуре окружающей среды, определяют коэффициент к, учитывающий потери, обусловленные поглощением части энергии лазерного луча окружающей средой, а также частичным отражением лазерного луча от поверхности исследуемого объекта.
Далее включают источник энергии 2 и производят нагрев. Мощность источника выбирается такой, чтобы температура в центре пятна нагрева не превышала 80 % от температуры термодеструкции исследуемого материала. Порядок действий при выборе мощности хорошо изложен, например, в [44,45].
В момент времени т, = -— термоприемниками 3, 4 производят 0,0003у измерение избыточных температур 7], Гг в точках контроля, расположенных на расстояниях R\HR2 соответственно от центра пятна нагрева.
Затем продолжают нагрев до тех пор, пока в некоторый момент времени тх термоприемник 4 не зафиксирует увеличение избыточной температуры в точке /?2 До величины Т2зад =т-Т2. Коэффициент m задается перед началом эксперимента таким, чтобы, с одной стороны, разница между температурами Г2зад и Т2 была приблизительно на порядок выше чувствительности измерительной аппаратуры (га 1,05), а с другой - чтобы коэффициент тп не превышал 1,15.
Проанализируем, как изменяются тепловые потери, возникающие с поверхности образца, при изменении времени в п раз.
Потери 7па и q0Tp (коэффициенты б и /5) в выражениях (3.1) и (3.7) не зависят от времени, в отличие от потерь qm, вызванных конвективным и лучистым теплообменом с поверхности тела. Изменение потерь 7кл обусловлено изменением площади температурного поля S, а также удельных тепловых потоков конвективного qK и лучистого qn теплообмена в зависимости от времени.
Как показали исследования, для большинства материалов при изменении избыточной температуры поверхности тела в т = 1,05 -г-1,15 раз время изменяется также в т раз, т.е. т п. С учетом вышесказанного, из выражений (3.14)- (3.17) следует, что при увеличении времени в п раз удельный поток конвективного теплообмена q K практически не изменяется (в я1/3раз) , а удельный тепловой поток лучистого теплообмена qn изменяется в п раз, но его значение на два порядка меньше q K, поэтому им можно пренебречь. Таким образом, при увеличении времени в п раз потери тепловой мощности за счет конвективного и лучистого теплообмена увеличиваются так же, как и площадь нагретой зоны, в п раз. С учетом этого выражение (3.7) можно записать следующим образом: Программа и результаты математического моделирования тепловых потерь, происходящих с поверхности исследуемого объекта при бесконтактном тепловом воздействии на нее точечного источника тепла, приведены в приложении 3. Можно показать [60, 61], что сигнал и с термоприемника определяется следующим выражением: M = Z -8.p.f(7/) = 6.-f(r), (3.19) где b - постоянная, зависящая от конкретного используемого термоприемника; f(7) - функция, зависящая от температуры объекта. Вид функции f(7) и постоянная Ъ определяются конкретным типом используемого термоприемника, их значения указаны в его технических характеристиках. Так, например, для радиационного термоприемника {(1)=14.
В условиях отсутствия априорной информации о значениях коэффициента излучения є поверхности исследуемого образца и прозрачности Р окружающей среды этими параметрами обычно пренебрегают или вводят поправочный коэффициент. Поэтому значение измеренной термоприемником температуры Т на поверхности исследуемого объекта оказывается заниженным.
Перед началом теплового воздействия на исследуемый объект можно считать, что температура на его поверхности практически равна температуре окружающей среды, которую можно измерить с большой точностью.
Таким образом, зная вид функции f(7) используемого термоприемника и температуру окружающей среды, можно определить коэффициент к по следующему выражению: k = f(T)/f(Tc), (3.20) где Т - температура на поверхности исследуемого объекта, измеренная термоприемником; Гс- температура окружающей среды, измеренная термопарой. С учетом вышесказанного после совместных математических преобразований выражений (3.2) и (3.18) можно получить формулу для расчета X
Основным преимуществом предложенного метода по сравнению с методами, использующими подвижный источник тепла [32,33,37,41-46], является повышение точности измерения теплофизических свойств, обусловленное тем, что в заявленном методе из-за неподвижности источника излучения и термоприемников все измерительные процедуры производятся на одном и том же участке поверхности. Перемещение измерительной головки над поверхностью образца в способе измерения с подвижным источником тепла приводит к тому, что в процессе измерений при движении измерительной головки над поверхностью образца происходит изменение свойств поверхности образца (шероховатости, степени черноты) в зависимости от местоположения пятна нагрева, вносящее дополнительные погрешности в результаты измерений. Использование в предложенном методе неподвижно закрепленных источника излучения и термоприемников позволяет устранить данные погрешности, поскольку в ходе эксперимента свойства исследуемого материала (шероховатость, степень черноты) в точке измерений не изменяются.
Кроме того, повышение точности измерений в предложенном методе обусловлено отсутствием погрешностей, возникающих из-за необходимости перемещения измерительной головки с постоянной скоростью над поверхностью образца. Помимо этого, отсутствие перемещения измерительной головки над поверхностью образца позволяет уменьшить его минимально допустимые размеры, что расширяет функциональные возможности данного метода. Предложенное техническое решение позволяет повысить на 6 - 10 % точность результатов измерения по сравнению с известными способами, а также позволяет упростить измерительную установку и снизить ее стоимость за счет исключения точной механики.
По сравнению с известными "неподвижными" методами [33,39] предложенный метод обладает более высокой точностью за счет учета тепловых потерь, рассмотрение которых было проведено выше.
Микропроцессорное устройство бесконтактного оперативного НК ТФС твердых материалов
Для реализации метода контроля ТФС материалов, приведенного выше, разработано микропроцессорное измерительное устройство (МПИУ), блок-схема которого приведена на рис. 4.2. Основным блоком МПИУ является микропроцессорный контроллер (МІЖ), имеющий три порта ввода-вывода: ЮРІ, ЮР2 и ЮРЗ. Порты ввода-вывода предназначены для обмена сигналами управления и данными с внешними блоками и узлами устройства. К порту ЮР1 подключены индикатор и клавиатура. К порту ЮР2 подключен АЦП, на вход которого поступают сигналы с приемников теплового излучения ПТИ1 и ПТИ2. АЦП предназначен для преобразования аналогового сигнала от приемников теплового излучения в цифровой двоичный код. Порт ЮРЗ соединен с блоком питания нагревателя (источника теплового излучения ИТИ) БПН. Основные блоки МПИУ контроля ТФС материалов выполняют следующие функции. МІЖ управляет функционированием всей системы, а именно: - формирует временную диаграмму обмена с АЦП через порт ЮР2; - контролирует с помощью ПТИ1 и ПТИ2 температуры в точках на поверхности материала; - производит прием информации с клавиатуры, а также выдачу измерительной информации о ТФС материала на индикатор через порт ЮР 1; - дозирует количество теплоты, передаваемое от нагревателя к образцу путем управления нагревом через порт ЮРЗ; - осуществляет регистрацию измерительной информации, ее обработку по алгоритму, размещенному в ПЗУ МПК, а также выдачу на индикатор требуемых данных.
Структурная схема устройства, реализующего бесконтактный метод НК ТФС твердых материалов 4.3 Алгоритм работы микропроцессорного устройства Работа МПИУ, реализующего бесконтактный метод, изложенный в разделе 3, осуществляется следующим образом. После включения питания МПИУ начинает выполнять программу, которая находится в ПЗУ МІЖ. Процессор выполняет необходимое тестирование системы, а затем устанавливает ее в исходное положение.
Запуск устройства оператор осуществляет с клавиатуры. МПК дает команду на измерение двумя неподвижными термоприемниками температуры в заданных точках поверхности исследуемого образца без воздействия на него источника тепла. Синхронно с этим происходит измерение температуры окружающей среды. По полученным результатам производится вычисление поправочного коэффициента, учитывающего потери, обусловленные поглощением части энергии лазерного луча окружающей средой, а также частичным отражением лазерного луча от поверхности исследуемого объекта.
Затем МПК дает команду на включение лазера. Мощность излучения задается исходя из априорной информации о принадлежности исследуемого образца к определенному классу материалов.
В момент времени т, = — МПК дает команду двум неподвиж ным термоприемникам на измерение избыточных температур Т\ и Тг в точках поверхности образца, расположенных на расстояниях R\ и Ri от центра пятна теплового воздействия. Значения измеренных температур через АЦП и уст ройство ввода-вывода заносятся в ОЗУ МПК. Затем производится вычисление значение температуры Т2зал = т-Т2. Нагрев продолжается до тех пор, пока в некоторый момент времени тх температура, регистрируемая вторым, более удаленным от пятна нагрева термоприемником, не увеличится до заданной величины Т2зад = т-Т2. Значение времени тх фиксируется и также запоминается в ОЗУ. Используя найденные значения Т\, Ті, тх, а также информацию о мощности теплового воздействия qmu расстояниях Ru R2, по программе, находящейся в ПЗУ МПК, рассчитываются значения искомых величин. Найденные значения хранятся в ОЗУ и могут быть выведены на индикатор в любое время после окончания эксперимента.
1. Даны рекомендации по выбору типов источника тепла и термоприемников при разработке ИС, реализующей бесконтактный метод НК ТФС материалов.
2. Разработано алгоритмическое обеспечение для микропроцессорного устройства НК ТФС, позволяющее максимально автоматизировать весь процесс измерения.
