Содержание к диссертации
Введение
1 Информационный обзор и сравнительный анализ методов и измерительных средств неразрушающего контроля ТФС многослойных изделий 16
1.1 Контактные методы неразрушающего контроля ТФС многослойных изделий 20
1.2 Бесконтактные методы неразрушающего контроля ТФС многослойных изделий 26
1.3 Постановка задачи исследования 32
1.4 Выводы 34
2 Метод неразрушающего контроля ТФС трехслойных изделий 36
2.1 Модель температурных полей в полубесконечном в тепловом отношении объекте при бесконтактном тепловом воздействии на него от подвижного источника тепла 36
2.2 Метод неразрушающего контроля ТФС трехслойных изделий 40
2.3Выводы 49
3 Микропроцессорные системы неразрушающего контроля ТФС многослойных изделий 50
3.1 Микропроцессорная система неразрушающего контактного контроля ТФС многослойных изделий 51
3.2 Измерительные зонды и блок-схема алгоритма работы ИИС неразрушающего контроля ТФС трехслойных изделий 59
3.3 Выводы 64
4 Метрологический анализ и экспериментальные исследования метода и иис неразрушающего контроля ТФС трехслойных изделий 66
4.1 Анализ погрешности измерений температуры 66
4.2 Анализ погрешности комбинированного метода 70
4.3 Экспериментальные исследования методов и измерительных систем НК ТФС многослойных изделий 74
4.4 Выводы 80
Заключение 81
Список используемой литературы 83
Приложения 90
- Бесконтактные методы неразрушающего контроля ТФС многослойных изделий
- Метод неразрушающего контроля ТФС трехслойных изделий
- Измерительные зонды и блок-схема алгоритма работы ИИС неразрушающего контроля ТФС трехслойных изделий
- Анализ погрешности комбинированного метода
Введение к работе
Современный уровень развития производства в важнейших и ответственных отраслях техники требует проведения постоянно усложняющихся измерительных экспериментов. Особое место среди них занимают неразру-шающие методы контроля и технической диагностики, характеризующиеся высокой сложностью физического эксперимента, требованием детального математического описания физических процессов в контролируемых объектах измерения, необходимостью проведения корректного метрологического анализа результатов измерений.
Обеспечение надежности функционирования объектов различных отраслей промышленности требует наличия соответствующих методов и средств неразрушающего контроля и диагностики для определения их технического состояния. При этом повышение требований достоверности результатов диагностики, и практика это подтверждает, приводит к необходимости перехода от дефектоскопии объектов (обнаружения дефектов) к дефектомет-рии (определению характеристик дефектов), что дает возможность оценки остаточного ресурса исследуемых объектов.
Поскольку одним из основных показателей качества большинства из синтезируемых новых конструкционных, электроизоляционных, строительных и теплозащитных материалов являются их теплофизические свойства (ТФС), то для контроля этих параметров целесообразно использовать методы теплового неразрушающего контроля (ТНК), позволяющие с высокой оперативностью, надежностью и производительностью осуществлять контроль ТФС как самих материалов, так и готовых изделий из них. Сложность и большой объем экспериментальных исследований по определению качества, долговечности и надежности синтезированных материалов и готовых изделий из них требуют как совершенствования традиционных, так и создания новых эффективных методов и средств контроля.
Актуальность работы
В настоящее время много внимания уделяется решению проблем строительства и реконструкции зданий и сооружений в целях обеспечения комфортного пребывания в них людей при эффективном использовании энергоносителей. Наиболее эффективно эта проблема решается с использованием многослойных конструкций защитных покрытий, в которых одни слои обеспечивают прочность, а другие - тепловую защиту. При разработке, испытании и эксплуатации таких многослойных теплозащитных покрытий необходимо иметь информацию о ТФС как отдельных слоев, так и всей конструкции защитной оболочки в целом, т.к. ТФС в этом случае являются параметрами, определяющими надежность, работоспособность, а в итоге и качество готовых изделий этих отраслей техники. Поэтому получение оперативной и достоверной информации о теплофизических параметрах многослойных теплозащитных покрытий становится уже необходимым условием как при создании, так и эксплуатации этих ответственных изделий.
Для решения этой задачи наиболее перспективными с точки зрения оперативности, точности и информативности являются тепловые методы и средства неразрушающего контроля (НК) ТФС, которые позволяют осуществлять контроль теплофизических характеристик материалов и изделий без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик. Поэтому разработка новых методов и средств НК ТФС, позволяющих контролировать теплозащитные свойства многослойных материалов и конструкций с необходимой для теплофизических измерений точностью, является актуальной задачей во многих важнейших отраслях современной техники.
В целях экономии топливно-энергетических ресурсов при резко возросшей стоимости энергоносителей в строительной теплотехнике в настоящее время широко используются многослойные ограждающие конструкции (стеновые панели, наружные перекрытия, стыковые соединения, перегородки, полы, элементы кровли и т.д.), через которые идут основные теплопотери зданий и сооружений. Поэтому одной из основных задач, стоящих перед
контролерами качества строительных конструкций, является определение соответствия их теплотехнических характеристик (в основном по сопротивлению теплопередаче и теплопотерям) нормативным документам СНиП, МГСН и др. Поскольку ограждающие конструкции зданий и сооружений представляют собой трехслойную систему, наружные слои которой обеспечивают механическую прочность, а внутренний слой - теплозащиту конструкции, то для решения этой задачи необходимо также разработать новые методы и средства НК ТФС многослойных строительных изделий как в процессе их изготовления, так и в реальных условиях эксплуатации.
В связи с возрастающим объемом производства биметаллов и изделий из них, повышением требований к их эксплуатационным характеристикам становится актуальной задача оперативного контроля в процессе их производства основных показателей качества, таких как геометрические параметры, прочность сцепления слоев, зависящая от сплошности соединения компонентов биметалла, а также теплофизические свойства, т.к. большинство изделий из биметаллов (вкладыши, подшипники скольжения, втулки, упорные кольца, сферические опоры) работают в жестких тепловых режимах.
Поскольку биметаллы и изделия из них представляют многослойную (двух-, трехслойную) конструкцию," то для определения дефектов от нарушения сплошности соединения слоев целесообразно использовать тепловые методы НК, позволяющие с большой разрешающей способностью, оперативностью и точностью определить размеры и место дефектов, т.к. ТФС металлических слоев и воздушных зазоров между ними отличаются не менее, чем на два порядка. Для определения же геометрических параметров биметаллов (толщина слоев) на основе теплометрических методов необходимо предварительно определить ТФС каждого слоя, а затем определить уже искомые толщины. Поскольку контроль этих основных параметров необходимо проводить в процессе производства биметаллов и изделий из него, то наиболее эффективно здесь использовать бесконтактные методы НК, позволяющие непрерывно получать информацию об основных параметрах качества и исполь-
зовать ее для активного управления техпроцессом. Поэтому разработка, исследование и внедрение в производство методов и средств активно технологического неразрушающего контроля основных параметров качества биметаллов и изделий из них также являются актуальными вопросами современного машиностроения, требующими создания новых высокоэффективных измерительных средств данного направления.
При сложном характере протекающих тепловых процессов в исследуемом объекте, что обычно имеет место при неразрушающем контроле многослойных изделий, основной задачей исследователей является разработка физико-математических моделей, адекватно описывающих теплофизические процессы в объекте контроля, а также моделей измерительных процедур, выполняемых при проведении неразрушающего контроля, объектов, условий и средств измерений. Эти модели являются теоретической основой для создания новых методов НК ТФС многослойных изделий.
Стремительное развитие, популярность и доступность микропроцессорной техники способствует широкому ее использованию при реализации разрабатываемых новых методов НК ТФС многослойных материалов и изделий. Эффективность применения микропроцессорных средств при создании приборов и измерительных систем обусловлена тем, что они позволяют ускорить и полностью автоматизировать проведение теплофизического эксперимента, в отсутствии априорной информации о ТФС объектов измерения адаптивно изменять пространственно-временные и энергетические параметры эксперимента с целью обеспечения гарантии сохранения целостности и эксплуатационных характеристик объектов измерения.
Кроме того, при разработке тепловых методов неразрушающего контроля в настоящее время уделяется недостаточное внимание метрологическому анализу результатов и средств измерений. Это обусловлено рядом объективных причин, основной из которых является то, что теплофизические измерения отличаются сложностью, являются косвенными или совокупными, связанными с температурно-временными измерениями полей и тепловых по-
токов. Поэтому традиционные методы метрологического анализа, опирающиеся на метрологический эксперимент, с помощью которого устанавливаются значения нормированных характеристик погрешностей результатов измерения и метрологических характеристик средств измерений, являются труднореализуемыми и дорогостоящими. При проведении метрологического анализа наиболее эффективно в последнее время применяются аналитические методы, основанные на использовании адекватных математических моделей объектов, процедур, условий и средств измерений.
Поэтому разработка и совершенствование расчетных методов определения характеристик погрешностей результатов измерения, формирование алгоритмического обеспечения метрологического анализа методов неразру-шающего контроля ТФС многослойных материалов и изделий составляет важную и актуальную задачу теоретической метрологии и экспериментальной теплофизики, решение которой позволит синтезировать измерительные процедуры и средства с требуемыми свойствами, повысить эффективность практического использования разработанных методов и средств.
Цель работы
Разработка, исследование и внедрение в практику метода и реализующей его микропроцессорной мобильной измерительной системы, позволяющей осуществлять НК ТФС многослойных изделий как при их производстве, так и эксплуатации с необходимой для теплофизических измерений оперативностью и точностью.
Основные задачи работы
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- на основе физико-математических моделей, описывающих квазистационарные тепловые процессы в исследуемых многослойных объектах, разработать и исследовать новый метод НК ТФС трехслойных изделий, основанный на
одновременном использовании контактного и бесконтактного тепловых воздействий на поверхность исследуемых объектов и обладающий высокой метрологической эффективностью, обусловленной использованием адаптивных измерительных процедур при определении энергетических параметров теп-лофизического эксперимента;
- разработать микропроцессорную информационно-измерительную систему (ИИС), реализующую созданный метод НК ТФС трехслойных изделий;
провести метрологический анализ разработанного метода и системы НК ТФС многослойных изделий с рекомендациями повышения их метрологического уровня;
провести экспериментальную проверку работоспособности созданных метода и ИИС НК ТФС трехслойных изделий и внедрить в промышленное производство.
Связь с государственными программами и НИР
Диссертационная работа выполнялась в рамках реализации следующих государственных программ: межвузовская научно-техническая программа Госкомобразования РСФСР "Неразрушающий контроль и диагностика", раздел 4: "Оптические, радиоволновые и тепловые методы неразрушающего контроля" на 2002-2006 г.г.; программа Минвуза РФ "Комплексные системы измерений, контроля и испытаний в народном хозяйстве" на 2004-2005 г.г.; программа Миннауки РФ на 2000-2001 г.г. по финансированию научных исследований и экспериментальных разработок, проект "Создание микропроцессорных приборов оперативного неразрушающего контроля термосопротивления многослойных строительных конструкций с пенополиуретановыми теплозащитными покрытиями", шифр: "Теплогидрощит".
Методы и методики исследования
Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на аналитической теории теплопроводности, математической физике, математическом моделировании, метрологии и метрологическом эксперименте, на результатах научно-исследовательских работ кафедры "Криминалистика и информатизация правовой деятельности " Тамбовского государственного технического университета, Тамбовского областного отделения "Российское общество по неразрушающему контролю и технической диагностике", а также рядя промышленных и научно-исследовательских организациях.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основе физико-математических моделей теплопереноса в трехслойных системах плоских тел из твердых материалов с различными ТФС при контактном и бесконтактном тепловом воздействии на них от дискового и подвижного точечного источника тепла создан новый, защищенный патентом на изобретение, метод НК ТФС материалов каждого из слоев трехслойной конструкции, отличительной особенностью которого является одновременное определение ТФС всех слоев исследуемых объектов, а также использование адаптивных измерительных процедур при определении энергетических параметров тепло-физического эксперимента, позволяющее исключить влияние внутреннего слоя исследуемой трехслойной системы на тепловые процессы при исследовании ее наружных слоев, что обеспечило существенное повышение достоверности результатов контроля ТФС каждого из исследуемых слоев и полную гарантию сохранения их целостности и эксплуатационных характеристик.
Микропроцессорная ИИС, созданная на основе этого метода, существенно упрощают процесс измерений и повышает производительность исследований (иногда в несколько раз) таких сложных для теплофизических измерений объектов как многослойные физические системы, включает в себя структурно-алгоритмические методы повышения точности результатов изме-
рения на основе математического описания измерительных процедур и цепей.
Отличительной особенностью разработанных метода и реализующего его микропроцессорного измерительного средства является значительное расширение области их применения, обусловленные возможностью нераз-рушающего контроля ТФС трехслойных физических систем из плоских тел с достаточной для технологического контроля точностью и оперативностью.
Проведен метрологический анализ разработанных метода и средства НК ТФС многослойных изделий и даны рекомендации по повышению их метрологического уровня.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе разработанного метода НК ТФС многослойных изделий, который защищен патентом РФ на изобретение, создана и внедрена в производство микропроцессорная ИИС с соответствующим алгоритмическим, программным и метрологическим обеспечением, позволившая расширить область применения тепловых методов и средств НК за счет возможности определения ТФС многослойных (трехслойных) изделий с высокой для теплофизических измерений точностью как в лабораторных, так и промышленных условиях, а также определять геометрические размеры и термосопротивление трехслойных ограждающих строительных конструкций для различных теплоизоляционных материалов в зависимости от климатических особенностей регионов России. Результаты диссертационной работы приняты к использованию в ОАО "Во-ронежстрой" (г. Воронеж), ОАО "Рэмик-Центр" (г. Москва), а также в учебном процессе ТГТУ.
Реализация результатов работы заключается в создании и внедрении при непосредственном участии автора информационно-измерительных систем неразрушающего контроля ТФС многослойных изделий, которая внедре-
на и успешно используется в ОАО " Воронежстрой", ОАО "Рэмик-Центр" (г. Москва), а также в учебном процессе ТГТУ.
Апробация работы
Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на шестой международной теплофизической школе "Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством" (Тамбов, 2007), VII-ой Международной научной конференции "Неразрушающий контроль и техническая диагностика" (Ялта, 2007), XI-XII научных конференциях ТГТУ (Тамбов, 2006-2007).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы отражены в 9-ти печатных работах, в том числе 1-ой монографии, 3-х статьях в центральных научных журналах, 4-х публикациях в региональных журналах, 1 патенте на изобретение.
Личный вклад автора
Во всех работах, опубликованных в соавторстве, при непосредственном участии автора были разработаны основные идеи методов, получены теоретические результаты, предложено математическое, алгоритмическое, программное и метрологическое обеспечения созданных процессорных измерительных средств, проведены теплофизические эксперименты и осуществлено доказательство достоверности полученных результатов и эффективности использования предложенных методов и микропроцессорных систем.
Структура работы
Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение и приложения, изложенные на 110 страницах машинописного текста, 9 рисунках, 9 таблицах, список литературы включает 72 наименования.
На защиту выносятся
1. Разработанный на основе физико-математических моделей, описы
вающих квазистационарные тепловые процессы в исследуемых многослойных
объектах, новый метод неразрушающего контроля ТФС трехслойных изделий,
основанный на одновременном использовании контактного и бесконтактного
тепловых воздействий на поверхность исследуемых объектов и обладающий
высокой метрологической эффективностью, обусловленной использованием
адаптивных измерительных процедур при определении энергетических па
раметров теплофизического эксперимента.
Микропроцессорная информационно-измерительная система, реализующая созданный метод НК ТФС трехслойных конструкций и существенно упрощающая процесс измерений, повышающая производительность исследований (иногда в несколько раз) таких сложных для теплофизических измерений объектов как многослойные физические системы.
Метрологический анализ разработанного метода и ИИС НК ТФС многослойных изделий с рекомендациями повышения их метрологического уровня.
Бесконтактные методы неразрушающего контроля ТФС многослойных изделий
В конце 70-х годов широкое распространение получили бесконтактные методы теплового неразрушающего контроля, основанные на регистрации собственного теплового излучения с поверхности исследуемых материалов и изделий, пропорционального четвертой степени абсолютной температуры [40, 41, 44-46]. Достоинством этих методов и измерительных средств является высокое быстродействие, а, следовательно, и высокая производительность контроля, 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. В бесконтактных тепловых методах НК ТФС тепловое воздействие на объекты измерения осуществляется, как правило, от точечного источника тепловой энергии (лазера), а избыточную температуру нагреваемой поверхности контролируют термоприемниками по электромагнитному излучению. При этом источник энергии и термоприемники перемещают над поверхностью контролируемого изделия с целью получения большего объема измерительной информации об объекте. Однако, методы бесконтактного неразрушающего контроля нашли широкое распространение в дефектоскопии при обнаружении локальных неоднородностей, расслоений, трещин и т.д., а в НК ТФС материалов и изделий эти методы и устройства применяются пока, к сожалению, редко.
В работе [46] 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.
К, сожалению, в работе отсутствует теоретическое обоснование метода и рассматриваются вопросы применения его только для обнаружения дефектов в изделиях, т.к. этот метод не позволяет контролировать ТФС многослойных изделий.
В работе также не рассматриваются вопросы метрологического анализа, что затрудняет возможность применения этого метода для НК ТФС материалов и изделий.
В работах [40, 41, 44, 47, 48] 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 одинаковой с источником энергии скоростью и с фиксированной задержкой относительно него. Методы, приведенные в работах [40, 41, 44, 49], 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, или же вводится дополнительно измерение избыточных температур на эталонных образцах, а затем уже на исследуемых.
Основными недостатками приведенных выше методов бесконтактного НК ТФС материалов является то, что мощность источника энергии, скорость его движения относительно исследуемых образцов, расстояние смещения между источником и термоприемником и т.д. задаются перед экспериментом произвольно, что в отсутствии априорной информации о ТФС исследуемых материалов приводит либо к перегреву образцов до избыточной температуры, выше температуры термодеструкции (для теплоизоляторов), либо значения контролируемых температур очень низки и появляются метрологические трудности при их измерении. К недостаткам рассмотренных методов следует отнести также и отсутствие учета тепловых потерь из-за поглощения энергии промежуточной средой, отражения от поверхности изделия, влияния состояния поверхности, ее степени черноты и т.д. Кроме того, рассмотренные выше методы не позволяют контролировать ТФС многослойных изделий, что существенно ограничивает их функциональные возможности и сужает область применения.
Метод неразрушающего контроля ТФС трехслойных изделий
В данном разделе представлен разработанный метод неразрушающего контроля трехслойных изделий, сущность которого заключается в следующем [56-60].
Для определения ТФС наружных слоев конструкции 1 над ними помещают точечный источник тепловой энергии 2 (лазер) и термоприемники 3 и 4 (рис.2.2), один из которых сфокусирован в точку теплового воздействия источника, а другой - в точку поверхности этого слоя, находящуюся от центра пятна нагрева на расстоянии x=h\, равном толщине первого слоя конструкции.
Далее начинают перемещение источника энергии 2 и термоприемников 3 и 4 над исследуемым изделием 1 со скоростью V. При этом осуществляют широтно-импульсную модуляцию лазерного луча, прерывая его фотозатвором 5 и изменяя при этом мощность тепловых импульсов, наносимых на поверхность исследуемого тела (см. рис. 2.3 б).
Увеличение мощности тепловых импульсов Q\ осуществляют до тех пор, пока в точке поверхности x=h\ появится избыточная температура, равная 0,1+0,2 К. При этом термоприемником 4, сфокусированным в центр пятна нагрева источника, измеряют в паузах между тепловыми импульсами избыточную температуру поверхности слоя, исключая тем самым прямое попадание на термоприемник (инфракрасный первичный преобразователь температуры) части энергии лазерного луча, отраженного от поверхности исследуемого слоя.
Контролируемую температуру центра пятна нагрева постоянно сравнивают с температурой термодеструкции Гтсрм исследуемого материала и, если температура нагрева приблизится к величине, равной (0,8-0,9) Гтерм, а в точке x=h\ еще нет избыточной температуры, то увеличение мощности импульсов 0\ прекращается, тем самым фиксируется верхний предел мощности импульсов источника Qmax.
Если же в точке x=h\ появилась избыточная температура 0,1-0,2 К, то на этом увеличение мощности прекращается, т.е. устанавливается максимально возможная мощность Qm7&, при которой на тепловой процесс в исследуемом слое не влияют ТФС внутреннего слоя изделия. При этом избыточная температура в центре пятна лазерного источника может быть и ниже значения (0,8-0,9) Гтерм.
Определив верхний допустимый предел мощности тепловых импульсов Отах, фокусируют термоприемник 3 в точку поверхности первого наружного слоя исследуемого объекта, находящуюся на расстоянии і?і от центра пятна нагрева лазера (см. рис. 2.2) и начинают перемещение источника энергии и термоприемника над исследуемым изделием со скоростью V. Расстояние R\ задают меньше величины h\, например, можно задать R\-h\l2.
Затем термоприемник фокусируют в точку контроля, находящуюся на расстоянии R2 от источника тепла и еще увеличивают мощность тепловых импульсов в соответствии с зависимостями (2.11) и (2.12) до тех пор, пока установившееся значение избыточной температуры T(R2) в точке контроля R2 станет равным второму наперед заданному значению Гзад2, которое не менее, чем на 10-15 % превышает значение Гзадь и определяют мощность тепловых импульсов QX2 (см. рис. 2.3а). По найденным значениям мощностей Qx\ и 0Х2 рассчитываются искомые теплофизические характеристики исследуемого материала, полученные на основании следующих рассуждений.
Вид функции ДТ) и постоянная Ъ определяются конкретным типом используемого термоприемника; их значения указаны в его технических характеристиках.
В условиях отсутствия априорной информации о значениях коэффициента излучения є поверхности исследуемого образца и прозрачности /? окружающей среды этими параметрами обычно пренебрегают или вводят поправочный коэффициент, значение которого определяется следующим образом. Перед началом теплового воздействия на исследуемый объект измеряют температуру окружающей среды, считая, что температура на поверхности исследуемого изделия практически равна температуре окружающей среды.
Измерительные зонды и блок-схема алгоритма работы ИИС неразрушающего контроля ТФС трехслойных изделий
Для осуществления работы измерительно-вычислительной системы контроля теплофизических характеристик материалов были разработаны и изготовлены два специальных измерительных термозонда (большой и малый), состоящих из функционально законченных элементов: датчика температуры (дифференциальная термопара типа: хромель-алюмель) и непосредственно дискового нагревателя. На рисунке 3.2 представлена конструкция большого термозонда, в плоскости контакта которого помещен дисковый нагреватель. В малом зонде на контактной поверхности вместо дискового нагревателя помещен датчик теплового потока, в центре которого закреплена термопара.
Большой термозонд разработан для нанесения теплового воздействия со стороны несущего (железобетонного) слоя исследуемой конструкции и снятия необходимой измерительной информации. Его потребляемая мощность « 1 кВт при сопротивлении нагревателя 48,5 Ом. Конструктивно он оформлен следующим образом, нагреватели 9 в количестве трех штук, расположенные в горизонтальной плоскости под углом 120, установлены между двумя дисками: установочным 5 и тепловыравнивающим 4, и закреплены винтами 2. Диск 4 необходим для выравнивания тепловых потоков исходящих из нагревателей. 22 21 18 19 20 Рисунок 3.2 - Конструкция измерительного зонда для реализации контактного метода НК ТФС трехслойных изделий
В центре тепловыравнивающего диска 4 зачеканена термопара 13, сигнал с которой подается на преобразователь термоЭДС в частоту 10, а далее непосредственно в ИИС. Преобразователь крепится винтовым соединением на уголок 16, а тот в свою очередь на крышку 8. Совокупность нагревателей с дисками устанавливается в корпус 6 и фиксируется там с помощью винтов 2 и крышки 8. Внутри зонд заполнен теплоизолирующим материалом 12, для того, чтобы уменьшить потери тепла из зоны нагрева в окружающую среду. Также для этих целей по периметру диска 4 установлен теплоизолятор 17.
Для того, чтобы осуществить установку зонда предусмотрены следующие крепежные элементы. На крышке 8 установлен уголок 15, на котором с помощью винта ставится труба 14. На эту трубу, посредством болтов 1, крепится кронштейн 7. С помощью этого кронштейна возможна установка измерительного зонда в требуемом положении. Для подключения зонда к сети (U = 220 В) на крышке 8 предусмотрены два термостойких разъема 11 (СР-50-164 Ф). Второй зонд практически идентичен первому и отличается только конструкцией нагревательного элемента. Здесь установлено не три, как в первом зонде, а один нагреватель (мощностью « 184 Вт и сопротивлением нагревателя 163 Ом), а также вместо разъемов СР-50-164 Ф использован ШР20П43, который имеет меньшую рабочую температуру, что допустимо для малого зонда.
Кроме того, на контактной поверхности зонда (см. рис. 3.2) в пазах закреплены линейные нагреватели 18 и 19, а также на заданном расстоянии от них - рабочие термопары 20, 21 и вспомогательные термопары 22, 23. Выводы термопар соединены с разъемом 11, который в свою очередь подключен к коммутатору ИИС.
В данной работе для бесконтактного контроля поверхности исследуемых объектов использовался лазерный модуль KLM-H808-4000. Модуль KLM-H808-4000 (рис. 3.3) - лазерный модуль инфракрасного диапазона в спектральном диапазоне 808 нм, изготовленный на основе высоконадежных лазерных диодов мировых фирм-производителей. Лазерный модуль обладают коллимированным пучком излучения малой расходимости и имеет малые напряжения питания (5 или 12В).
Несмотря на то что MID мал по размеру, он обладает великолепными техническими характеристиками, точность ±1%, выбор спектральных диапазонов, оптическое разрешение 2:1 или 10:1, задаваемые пользователем виды выходных сигналов, время отклика 0,150 секунды - характеристики, превосходящие возможности многих современных систем.
Анализ погрешности комбинированного метода
Основным источником информации о погрешностях и характеристиках погрешностей результатов измерений является метрологический эксперимент [68-72]. В основе метрологического эксперимента лежит сравнение результата, полученного с помощью испытываемого (поверяемого) измерительного средства, с результатами, установленными с помощью образцового измерительного средства. Последнее характеризуется более высокой гарантированной точностью, чем поверяемые. В теплофизических измерениях в качестве образцового средства используется источник известного значения измеряемой величины (мера) - эталонный образец, который воспроизводит требуемое значение измеряемой величины с необходимой точностью.
В качестве образцов для проведения метрологического эксперимента использовались материалы, ТФС которых известны и аттестованы в ФГУП "ВНИИ им. Д. И. Менделеева". Одними из таких материалов в экспериментах по определению погрешностей и их характеристик при измерении ТФС были полиметилметакрилат (ПММ) ТУ №26-54, рипор, стекло ТФ-1 ГОСТ 15130-69 и мрамор. Эти материалы были выбраны в качестве объекта исследования в связи с тем, что их теплофизические свойства в настоящее время хорошо изучены и рекомендованы в качестве стандартных образцов с допуском +(3-4)% для поверки и тарировки приборов и систем измерений ТФС. Так как разработанные методы корректно работают на непрозрачных для лазерного излучения материалах, а ПММ и ТФ-1 являются полупрозрачными материалами, то перед началом эксперимента на их поверхность был нанесен черный матовый лак.
В качестве нормативного документа для оценки погрешностей и их характеристик использована методика поверки рабочих средств измерений МИ 115-77, а также методические указания по определению характеристик погрешностей средств измерений в реальных условиях эксплуатации РД 50-453-84 [68], измерительных методик МИ 1317-86 и МИ 202-80.
1. Проведен анализ погрешности результатов измерений по разработанному методу НК ТФС трехслойных изделий на базе аналитических соотношений, полученных с использованием математических моделей измерительных процедур.
2. Для разработанного метода контроля ТФС 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.
3. Проведены экспериментальные исследования комбинированного метода и ИИС неразрушающего контроля ТФС трехслойных изделий, подтвердившие корректность основных теоретических выводов, положенных в основу создания этих методов и средств контроля, а также эффективность их практического применения в области теплофизических измерений.
4. Результаты экспериментальных исследований дали возможность определить области наиболее целесообразного использования разработанного метода и средства НК ТФС по диапазонам и классам исследуемых многослойных конструкций и изделий. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Проведенный информационный анализ показал, что во многих отраслях народного хозяйства, таких как строительство, машиностроение, теплоэнергетика и т.д. требуется определять теплозащитные свойства многослойных конструкций и изделий без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик. Поэтому разработка новых методов и средств неразру-шающего контроля ТФС многослойных физических систем является актуальной задачей теплофизических измерений и технической диагностики.
2. На основе моделей, описывающих тепловые процессы в исследуемых трехслойных объектах при контактном тепловом воздействии от дискового источника и бесконтактном тепловом воздействии от подвижного точечного источника тепла, разработан новый метод НК ТФС трехслойных изделий, в котором используется комбинация контактного и бесконтактного теплового воздействия на исследуемые объекты, что позволило почти в 2 раза повысить оперативность контроля. Использование в разработанном методе адаптивных измерительных процедур при определении энергетических параметров теплофизического эксперимента позволяет, во-первых, исключить влияние внутреннего слоя исследуемой трехслойной системы на тепловые процессы при исследовании ее наружных слоев, во-вторых, обеспечивает существенное повышение достоверности результатов контроля ТФС каждого из исследуемых слоев и полную гарантию сохранения их целостности и эксплуатационных характеристик.
3. Разработана микропроцессорная ИИС, реализующая созданный метод НК ТФС трехслойных изделий, позволяющая определять весь комплекс искомых ТФС с высокой для теплофизических измерений точностью. В созданной системе, кроме того, в процессе измерений осуществляется адаптивный поиск оптимальных значений энергетических параметров теплофизиче 82 ского эксперимента, что позволяет полностью исключить возможность теплового разрушения исследуемых изделий с сохранением высокого метрологического уровня разработанного средства контроля и технической диагностики.
4. Проведен анализ погрешности результатов измерений по разрабо танному методу и реализующему его устройству на базе аналитических со отношений, полученных с использованием математических моделей измери тельных процедур, объектов и условий измерений. Получены структуры полной погрешности измерений, проведена оценка вклада каждой компонен ты в соответствующую характеристику указанной погрешности и выделены доминанты в составе полной погрешности. Подобный подход создает пред посылки для целенаправленного воздействия на источники погрешностей.
5. Проведены экспериментальные исследования разработанного метода и ИИС КОС ТФС трехслойных изделий, показавшие корректность основных теоретических выводов, положенных в основу разработанных метода и сис темы. Микропроцессорная система, реализующая предложенный метод НК ТФС трехслойных изделий внедрена в промышленное производство.
