Содержание к диссертации
Введение
1 Информационный обзор и сравнительный анализ методов и измерительных средств неразрушающего контроля тфс и температурных переходов термопластов 14
1.1 Структурное строение аморфных и кристаллических термопластов 14
1.2 Релаксационные процессы в термопластах 26
1.3 Методы контроля тешгофизических характеристик и температурных переходов термопластов 34
1.4 Постановка задачи исследования 43
1.5 Выводы 45
2 Методы неразрушающего контроля теплофизических свойств и температурных переходов термопластов 47
2.1 Контактный метод неразрушающего контроля ТФС и температурных переходов термопластов 47
2.2 Бесконтактный метод неразрушающего контроля ТФС и температурных переходов термопластов 55
2.3 Выводы 60
3 Микропроцессорные системы неразрушающего контроля тфс и температурных переходов термопластов 62
3.1 Микропроцессорная система неразрушающего контактного контроля ТФС и температурных переходов термопластов 63
3.2 Микропроцессорная система бесконтактного контроля ТФС и температурных переходов термопластов 72
3.3 Термозонд для контактного метода неразрушающего контроля ТФС и температурных переходов исследуемых термопластов 78
3.4 Выводы 81
4 Метрологический анализ и экспериментальные исследования контактного и бесконтактного методов неразрушающего контроля тфс и температурных переходов термопластов 83
4.1 Анализ погрешности контактного метода 83
4.2 Анализ погрешности бесконтактного метода НК ТФС и температурных переходов термопластов 90
4.3 Экспериментальные исследования методов и измерительной системы НК ТФС и температурных переходов термопластов 94
4.4 Выводы 101
Заключение 103
Список использованной литературы
- Релаксационные процессы в термопластах
- Бесконтактный метод неразрушающего контроля ТФС и температурных переходов термопластов
- Микропроцессорная система бесконтактного контроля ТФС и температурных переходов термопластов
- Анализ погрешности бесконтактного метода НК ТФС и температурных переходов термопластов
Введение к работе
Актуальность работы. Ежегодно во всем мире производятся и перерабатываются в изделия оіромное количество различных полимеров. Почти все технологические процессы их производства и переработки связаны с подводом или отводом тепла. Поэтому знание теплофизических свойств (ТФС) полимеров (тепло- и температуропроводности, теплоемкости) необходимо для рационального выбора теплового режима переработки, направленного на повышение его эффективности и улучшение качественных показателей изделий из полимеров. Кроме того, теплофизические свойства весьма важны для установления эксплуатационных характеристик полимеров, применяемых в ряде отраслей техники, народном хозяйстве и быту.
Одним из высокопроизводительных и эффективных методов получения изделий и деталей из термопластов является формование их в твердом состоянии (твердой фазе), которая ведется в температурном интервале, заключенном между комнатной температурой и температурой стеклования Гс для аморфных полимеров или плавления Т1Ш для кристаллизующихся. Для задания температурных режимов формования необходима информация о релаксационном поведении и температурных переходах термопластов в указанном интервале температур. Существующие методы определения температурных переходов у термопластов: линейная дилатометрия, термомеханика, температурные зависимости тангенса угла (tg 5) от механических и диэлектрических потерь, имеют ряд недостатков, основными из которых являются необходимость изготовления специальных модельных образцов из термопластов установленной формы и размеров, что исключает возможность определения ТФС и температурных переходов исследуемых объектов без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик, длительность времени контроля и необходимость использования сложного дорогостоящего оборудования.
Для решения этой задачи наиболее перспективными с точки зрения оперативности, достоверности, точности и информативности являются тепловые методы и средства неразрушающего контроля (НК) ТФС и температурных переходов исследуемых термопластов, которые позволяют осуществлять контроль этих свойств без нарушения целостности и эксплуатационных характеристик как самих термопластов, так и готовых изделий их них. В этой связи весьма актуальной задачей является разработка новых неразрушающих методов и реализующих их средств определения в производственных условиях ТФС и температурных переходов термопластов с целью задания оптимальных режимов формования термопластов в твердой фазе и получения высококачественных полимерных изделий.
Цель работы. Разработка, исследование и внедрение в практику контактного и бесконтактного методов и реализующих их микропроцессорных систем, позволяющих осуществлять НКрЩ>^дщэдщ7щщых пере-
ходов термопластов как при их производстве, так и эксплуатации с необходимой для теплофизических измерений оперативностью и точностью.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать физико-математические модели теплопереноса в полубесконечных в тепловом отношении твердых телах при контактном и бесконтактном тепловом воздействии на них от линейного или подвижного точечного источника тепла, адекватно описьгеающие тепловые процессы в контролируемых объектах и позволяющих определить ТФС и температурные переходы термопластов;
на основе полученных физико-математической моделей разработать и исследовать новый контактный метод контроля ТФС и температурных переходов термопластов без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик, отличительной особенностью которого является возможность оперативного и точного определения в производственных условиях всех температурных переходов и ТФС непосредственно на заготовках из термопластов с целью задания оптимальных тепловых режимов формования в твердой фазе изделий из них;
разработать бесконтактный метод неразрушающего контроля ТФС и температурных переходов термопластов, обладающий высокой производительностью измерений и возможностью контролировать с необходимой для технологии точностью весь комплекс ТФС и температурных переходов термопластов движущихся или вращающихся заготовок из термопласта, а также готовых изделий сложной формы и с различной кривизной их поверхности;
разработать микропроцессорные информационно-измерительные системы (ИИС), реализующие созданные контактный и бесконтактный методы НК ТФС и температурных переходов исследуемых термопластов;
провести метрологический анализ разработанных методов и средств НК ТФС и температурных переходов термопластов с рекомендациями повышения их метрологического уровня.
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 ряда промышленных и научно-исследовательских организаций.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основе разработанных физико-математических моделей теплопереноса в полубесконечных в тепловом отношении твердых телах при контактном и
бесконтактном тепловом воздействии на них от линейного или подвижного точечного источника тепла созданы новые, защищенные патентами на изобретения, методы НК ТФС и температурных переходов термопластов, имеющие достаточную для технологического контроля точность и оперативность, обеспечивающие полную гарантию сохранения пелостности и эксплуатационных характеристик исследуемых объектов.
Созданные на основе этих методов ИИС полностью автоматизируют и существенно упрощают процесс измерений при высоком метрологическом уровне результатов контроля, который обеспечивается тем, что в системах адаптивно в процессе теплофизического эксперимента устанавливается такой режим теплового воздействия на исследуемые термопласты (темп нагрева), при котором, во-первых, повышается чувствительность и разрешающая способность обнаружения температурных переходов в исследуемых термопластах, во-вторых, с высокой для теплофизических измерений точностью определяются и ТФС исследуемых полимеров, в-третьих, высокая помехозащищенность и достоверность результатов контроля за счет усреднения измерительной информации о температурно-временных изменениях в большом количестве точек поверхности исследуемых объектов.
Отличительной особенностью разработанных методов и реализующих их микропроцессорных измерительных средств является возможность контроля не только ТФС исследуемых термопластов, но и всех их релаксационных переходов в интервалах температур от комнатной Тк до температуры стеклования Гс аморфных и температуры плавления Тт кристаллических термопластов.
Проведен метрологический анализ разработанных методов и средств НК ТФС и температурных переходов термопластов и даны рекомендации по повышению их метрологического уровня.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе разработанных контактного и бесконтактного методов НК ТФС и температурных переходов термопластов, которые защищены патентами РФ на изобретения № 1778658, № 2250453, созданы и внедрены в производство микропроцессорные ИИС с соответствующим алгоритмическим, программным и метрологическим обеспечением. Создана методика контроля в производственных условиях ТФС и температурных переходов термопластов, позволяющая назначать оптимальные температурные режимы формования заготовок различной конфигурации. Работоспособность ИИС и созданных методов контроля показаны при исследованиях ТФС и температурных переходов в диапазоне температур от комнатной Тк до температуры стеклования Тс полиметилметакрилата ПММА (оргстекло) и температуры плавления Тт полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) и политетрафторэтилена ПТФЭ (фторопласт Ф-4). Результаты диссертационной работы приняты к использованию в ОАО "Тамбовполимермаш" (г. Тамбов),
ОАО "Завод подшипников скольжения" (г. Тамбов), а также в учебном процессе ТГТУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX научной конференции ТГТУ (Тамбов, 2004 г.); Пятой Международной теплофизической школе "Теплофизиче-ские измерения при контроле и управлении качеством" (Тамбов, 2004 г.); Международной конференции "Наука на рубеже тысячелетий" (Тамбов, 2004 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Энергосбережение и энергоэффективные технологии - 2004" (Липецк, 2004 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 9 печатных работах, в том числе 5 статьях в центральных и региональных научных журналах, 2 патентах на изобретения.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Основная часть диссертации изложена на 122 страницах машинописного текста и содержит 26 рисунков, 12 таблиц. Список литературы включает 108 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность канд. техн. наук, доценту Радько Юрию Михайловичу за консультативную помощь при подготовке диссертации.
Релаксационные процессы в термопластах
В общем виде релаксацией называется процесс перехода системы из неравновесного состояния в равновесное. Этот переход происходит вследствие теплового движения структурных элементов, из которых состоит данная система, и обусловлен, таким образом, термодинамическими причинами. Ее тественно, что все факторы, влияющие на подвижность элементов структуры рассматриваемой системы, влияют и на характер проявления ее релаксационных свойств. Температура определяет кинетическую энергию элементов структуры, а следовательно, и скорость перехода их из одного состояния в другое. Поэтому с повышением температуры увеличивается подвижность элементов структуры и скорость их перехода из неравновесного состояния в равновесное, т.е. с ростом температуры релаксационные процессы протекают быстрее [19].
Подвижность элементов структуры зависит также от величины и энергии межмолекулярных взаимодействий между ними. Если система построена из неполярных атомно-молекулярных группировок, то энергия взаимодействия между ними невелика и, следовательно, тепловое движение протекает свободнее. Поэтому такая система (при прочих равных условиях) придет к равновесию быстрее, чем система, имеющая полярные атомы и молекулы, где энергетические взаимодействия элементов структуры сильнее. Если элементы структуры системы имеют небольшие размеры (например, молекулы простых жидкостей), то они перемещаются в тепловом движении быстрее громоздких и больших или разветвленных атомно-молекулярных группировок. Следовательно, система с малыми по размеру и молоразветвленными структурными элементами придет к равновесию быстрее, чем система, состоящая из крупных и разветвленных элементов.
Таким образом, повышение температуры, уменьшение энергии межмолекулярного взаимодействия и уменьшение размеров элементов структуры приводит к ускорению достижения системой равновесного состояния, т.е. к ускорению протекания релаксационных процессов.
Время релаксации не является однозначной и простой величиной для данного полимера. Поскольку оно определяется как отношение вязкости к модулю упругости полимера, то следовательно, оно меняется с изменением этих величин. Вязкость полимеров быстро возрастает с ростом молекулярной массы полимера, тогда как модуль растет значительно медленнее. При переходе от мономера к полимеру время релаксации резко возрастает вследствие уменьшения кинетической подвижности элементарных звеньев в макромолекулах. Общее перемещение макромолекулы происходит благодаря большому числу перемещений отдельных сегментов, которые являются самостоятельными кинетическими единицами. Движение макромолекулы таким образом подобно перемещению змеи. В результате в пределах макромолекулы осуществляются тепловые движения различных элементов структуры: сегментов, более сложных участков макромолекулы, самой макромолекулы, колебания атомов и атомных групп внутри сегментов - каждое в течение разного времени, и поэтому общее время релаксации макромолекулы составится из целого набора более коротких времен релаксации отдельных ее элементов. Если же учесть, что в образце полимера содержатся макромолекулы разных размеров, то число времен релаксации образца или изделия еще больше увеличится. Между макромолекулами существуют взаимодействия, которые приводят к образованию ассоциатов и других надмолекулярных образований. Время релаксации таких сложных образований тоже отличается от времени релаксации изолированных макромолекул. Таким образом, реальный полимер обладает большим набором, или спектром времен релаксации, и поэтому характеристику релаксационных свойству полимеров необходимо проводить с учетом этого спектра.
Существование спектра времен релаксации сильно затрудняет исследование равновесных свойств полимеров, так как в каждом конкретном случае можно говорить лишь о той или иной степени приближения к равновесному состоянию (например, релаксация напряжения, ползучесть и др.). В процессе длительной релаксации может проходить химическое изменение структуры полимера в результате, например, взаимодействия с молекулярным кислородом, приводящим к деструкции макромолекул, а следовательно, и к изменению релаксационных свойств [14-17].
Химическая природа и строение молекулярных цепей полимера оказывают существенное влияние на спектр времен релаксации. С увеличением полярности и, следовательно, межмолекулярного взаимодействия растет длинновременная часть спектра. Тому же способствует и частичная кристаллизация макромолекул. Увеличение размеров боковых заместителей, а также наличие разветвлений у макромолекул замедляет время перемещения элементов структуры и тоже может приводить к росту времен релаксации [27-32].
Релаксационные процессы в полимерах следует рассматривать как макроскопическое проявление их молекулярной подвижности в широком интервале температур. Говоря о месте релаксационных процессов среди других кинетических явлений, следует отметить, что кинетические процессы включают в себя релаксационные как составную часть. Для релаксационных процессов характерно уменьшение скорости их протекания с течением времени.
Наиболее типичным релаксационным процессом является процесс изменения сегментальной подвижности при структурном и механическом стекловании полимеров. Существование полимеров в блочном состоянии наиболее специфично и характерно для высокомолекулярных веществ. Все полимеры в блоке (как аморфные, так и частично кристаллические) можно классифицировать по степени жесткости (гибкости) их макромолекул. При этом следует различать гибкоцепные, полужесткоцепные и жесткоцепные полимеры.
Бесконтактный метод неразрушающего контроля ТФС и температурных переходов термопластов
Для увеличения чувствительности метода определения температурных переходов по известным для такого частотно-импульсного теплового воздействия соотношениям [58] рассчитывают коэффициенты тепло- и температуропроводности (ТФС) до изменения темпа нагрева и после, используя соотношения: где T Xj, ) и Т2{хрт2) " соответственно температура в ху. точке контроля в моменты времени г, =и,-Дт и т2=п2-Ат, которые задают произвольно на термограмме до изменения темпа нагрева т, затем после его изменения, &T = 1/FX - интервал времени между тепловыми импульсами.
Чувствительность метода повышается за счет того, что изменение контролируемой температуры на одну единицу обуславливает изменение, на 53 пример, коэффициента температуропроводности на 5-7 единиц. Поэтому, вычисление ТФС по формулам (2.5) и (2.6) до изменения темпа нагрева и после, позволяют более точно определить момент и температуру релаксационных переходов в исследуемых термопластах. А, полученная при этом информация о температурных переходах, дает возможность определить оптимальные температурные режимы формования деталей и изделий из термопластов в твердой фазе.
Описанные выше измерительные процедуры осуществляют для всех термобатарей, заканчивая самой удаленной от нагревателя парой. Для повышения достоверности результатов контроля температурных переходов в исследуемых термопластах полученные значения температурных переходов и ТФС для всех точек контроля усредняются.
По мере нагрева исследуемой заготовки, производя изложенные выше процедуры, определяют следующий температурный переход и т.д. (см. рис. 2.3) (если они имеются) вплоть до температуры стеклования Тс стеклообразных или температуры плавления Тпя кристаллических термоплатов, а полученные результаты фиксируют в оперативной памяти микропроцессора.
Основными преимуществами разработанного нами метода по сравнению с известным сравнительным методом определения (СМО) ТФС [2, 4, 9] являются:
1. Возможность оперативного и точного определения в производственных условиях всех температурных переходов и ТФС непосредственно на заготовках из термопластов без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик с целью назначения оптимальных режимов формования изделий из них в твердой фазе. При этом ввиду малых габаритов измерительного зонда (размеры контактной площадки не более 10x20 мм, что обеспечивается высокой разрешающей способностью эпитаксиально-диффузионной технологии изготовления полупроводниковых терморезисторов) возможен контроль практически всех встречающихся в производстве заготовок из термопластов. Кроме того, разработанный метод контроля позво ляет исключить длительную подготовительную стадию исследований в лабораторных условиях на модельных образцах.
2. Известно [58], что изменение температуры в точке контроля на 1% обуславливает изменение температуропроводности а не менее, чем на 7 10%, поэтому чувствительность обнаружения изгиба термограммы (темпа нагрева) и соответственно температурного перехода исследуемого термопла ста через определение ТФС увеличивается в предложенном способе не менее, чем в 5-7 раз. Кроме того, термобатареи в разработанном способе в свою очередь также усиливают сигнал о контролируемой температуре не менее, чем на порядок (10 штук термоприемников в батарее), поэтому общая чувствительность разработанного способа увеличивается по сравнению известными теп-лофизическими методами не менее, чем в 50-70 раз, что в итоге повышает как разрешающую способность разработанного метода контроля, так и точность определения исследуемых параметров термопластов.
3. Разработанный метод позволяет определять более широкий спектр значений температурных переходов в диапазоне температур от комнатной до стеклования (Тс) аморфных и плавления (Т .) кристаллических термопла стов. Такая более широкая информация о температурных переходах ниже Тс и Тпл, свидетельствующих о релаксационных процессах и связанных с под вижностью определенных структурных элементов термопластов, дает воз можность более точной оперативной корректировки технологических режи мов формования с целью получения качественных изделий.
Перечисленное выше делает возможным эффективно использовать разработанный метод в практике теплофизических измерений и в производстве изделий из термопластов формованием в твердой фазе.
Результаты экспериментальной проверки разработанного метода на материалах с известными и стойкими ТФС приведены в главе 4 диссертации.
Основными достоинствами бесконтактных методов и измерительных средств являются высокое быстродействие, а, следовательно, и высокая производительность контроля, дистанционность, возможность контроля при одно- и двухстороннем доступе к изделию и т.д. Разработан бесконтактный метод неразрушающего контроля ТФС и температурных переходов термопластов, сущность которого заключается в следующем [101-104].
На рис. 2.4 приведена схема расположения источника тепловой энергии и датчика температуры относительно исследуемого тела в процессе ее измерения. Схема включает точечный источник тепловой энергии 1 и термоприемники инфракрасного излучения 2 и 3, регистрирующие температуру поверхности исследуемого тела по электромагнитному излучению, перемещаемые относительно исследуемого образца 4. В качестве точечного источника тепловой энергии используется лазер, сфокусированный на поверхность исследуемого образца. Экраны 5 и 6, расположенные с зазорами от поверхности образца на высоте z0, обеспечивают отсутствие влияния источника энергии на результаты измерений температуры из-за прямого воздействия на термоприемник частично отраженного от поверхности объекта лазерного луча. Перемещение термоприемников 2 и 3 осуществляется по прямым А и В, параллельным оси х. Изменение мощности теплового воздействия от лазера осуществляют оптическим затвором 7, меняя частоту или длительность тепловых импульсов точечного источника тепла.
Микропроцессорная система бесконтактного контроля ТФС и температурных переходов термопластов
В схеме над исследуемым изделием из термопласта помещают точечный источник тепловой энергии / и два термоприемника 2 и 3, сфокусированных на поверхность образца 4, подверженную тепловому воздействию. В качестве точечного источника тепловой энергии используется лазер, сфокусированный на поверхность исследуемого образца. Источник энергии 1 и термоприемники 2 и 3 механически связаны друг с другом и представляют собой измерительную головку системы. Термоприемник 3 установлен от источника 1 на расстоянии /?ь а термоприемник 2 - на расстоянии R%. Перемещение термоприемника 3 осуществляется по прямой А, а термоприемника 2 -по прямой В, которые параллельны оси х и находятся на фиксированных расстояниях от ней.
Основным блоком разработанной ИИС является системный процессор 5 с цифровым индикатором б и клавиатурой 7. К системному процессору 5 через его порт 9 (адаптер ввода-вывода) подключены также оптический затвор 8 источника тепла, датчик положения 10 термоприемников 2 и 3 относительно точечного источника тепла 1, выходы термоприемников 2 и 3. Вход усилителя мощности // подключен через порт 10 к процессору, а выход - к цепи питания реверсивным двигателем 12, который в свою очередь соединен с механизмом перемещения 13 термоприемников 2 и 3 относительно теплового источника 1 по прямым А и В. Перемещение всей информационной головки ИИС, включающей точечный источник тепла 1 и термоприемники 2, 3, над поверхностью исследуемых изделий с заданной скоростью V осуществляется двигателем постоянного тока 14 через механизм перемещения 15, который кинематически связан с измерительной головкой. Управление работой двигателя 14 осуществляется системным процессором 5 через блок питания 16. Фокусировка термоприемников 2 и 3 на поверхность исследуемого изделия 4 осуществляется устройством управления фокусировкой 17, которое через механизм фокусировки 18 изменяет положение термоприемников 2 и 3 относительно поверхности контролируемого изделия. Один из выходов микропроцессора через порт 9 подключен к блоку питания 19 лазерного нагрева теля, а также фотозатвору 5. В свою очередь информационные выходы термоприемников 2 и 3 подключены через порт 9 к процессору 5, а управляющий вход датчика положения 10 термоприемников относительно источника тепла подключен также через порт к процессору 5.
Работа измерительной системы осуществляется следующим образом. Вначале ИИС с клавиатуры 7 приводится в исходное состояние, при котором источник питания 19 лазера и источник питания 16 двигателя 14 перемещения измерительной головки системы выключены. Затем по команде с системного процессора 5 блок управления 17 через механизм 18 поочередно фокусирует термоприемники 2 и 3 на поверхность исследуемого изделия в точки , находящиеся на прямых А и В.
Далее по команде с системного процессора 5 включают блок питания 16 двигателя постоянного тока 14 и, изменяя величину напряжения питания двигателя, устанавливают заданную в процессоре скорость перемещения V измерительной головки ИИС над исследуемым изделием. Затем включают лазерный источник на заданную мощность qo и осуществляют тепловое воздействие на исследуемый образец тепловыми импульсами с заданной частотой F, которая формируется фотозатвором 8 по команде с процессора 5.
Затем изменяют расстояния между точкой контроля избыточной температуры термоприемником 3 и центром пятна нагрева источника 1 до тех пор, пока контролируемая избыточная температутра достигнет максимального значения Тмакс(Яопт1) (рис.2.5). Поиск экстремального значения Тмакс осуществляется следующим образом. По команде с микропроцессора 5 информация об избыточной температуре на поверхности Tm6(RH) с термопри меника 3 через порт 9 заносится в ОЗУ процессора 5. Затем по сигналу с процессора 5 механизм перемещения термоприемников 13 изменит расстояние между источником энергии 1 и термоприемником 3 на значение AR , равное 0,2-0,5 мм. Далее по команде с микропроцессора 5 информация об избыточной температуре TK36(RH + ARj) с датчка 3 заносится в ОЗУ процессора 5, где определяется разностный сигнал AT(R) = TH36(R„ (136(RH + ARf)).
Затем по команде процессора 5 двигатель 13 опять перемещает термоприемник 3 относительно источника тепла, находя расстояние перемещения по зависимости ARJ=KATJ(R). При этом определяется новое положение датчика и соответствующая этому положению избыточная температура и т.д. Перемещение термоприемника в соответствии с вышеописанным циклом будет осуществляться до тех пор, пока разность ATi(R) = TH36(Ri)H36(Ri_I) станет равной нулю, что фиксируется в процессоре 5. Это будет соответствовать экстремуму функции TH36(R), т.е. в точке TMaKCl(RotITl) (см. рис. 2.5). Аналогичные процедуры производят для второго термоприемника 2 и находят при этом экстремум функции TMaKc2(RoriT2) (см. рис. 2.5).
Затем по команде с процессора 5 постепенно увеличивают мощность точечного источника тепла, контролируя при этом температуры в максимально теплонагруженных точках RonTl и RonT2 поверхности исследуемого образца из термопласта, соответственно термоприемниками 3 и 2.
На основе полученной измерительной информации в процессоре 5 по программам, реализующим алгоритмы определения искомых ТФС в соответствии с соотношениями (6), (7), рассчитывают тепло- и температуропроводность исследуемого термопласта.
При увеличении мощности теплового воздействия повышается температура в контролируемых точках и при достижении значений температур, соответствующих релаксационным переходам у термопластов происходит скачкообразное изменение контролируемой термограммы, т.е. изменение угла наклона термограммы и изменение темпа нагрева. Это четко фиксируется в микропроцессоре 5, который с заданным шагом дискретизации Ат непрерывно обрабатывает термограммы в найденных точках RonTj и RonT.2 оп ределяя темп нагрева и его изменение во времени, а также фиксируя температуры» при которых происходит скачкообразное изменение контролируемой термограммы нагрева. В процессе нагрева исследуемой заготовки температурные переходы обнаруживаются в начале в точке RonT \, а затем - в точке RonT 2» т.е. по мере достижения контролируемой избыточной температуры температурных переходов в каждой из контролируемых точек. Найденные значения температурных переходов Ттерм ] и Ттерм2 в точках RonTj и RonT 2 в процессоре 5 усредняются, результат заносится в ОЗУ процессора и может быть вызван оператором на индикатор 6 с клавиатуры 7 в любое время после окончания эксперимента. При наличии у исследуемых термопластов несколько температурных переходов Ттерм J они все фиксируются в процессоре 5 по соответствующим изгибам термограммы нагрева и информация о них также хранится в ОЗУ процессора.
Анализ погрешности бесконтактного метода НК ТФС и температурных переходов термопластов
Полученные для компонент соотношения позволяют оценить характеристики введенных компонент, выделть доминанты и определить характеристики полных погрешностей Да, и AXj . Программа для выделения доминирующих составляющих в общей погрешности измерения ТФС материалов представлена в приложении диссертации, а результаты выделения доминант -в таблице 4.2.
Анализ исходных данных и прямой просчет показывает, что из семи компонент а доминирует Т\ и Т2, далее R{, R2, х\, х2 и V. Для X доминирует а, R\ далее по степени значимости следуют л ,, Ти Я Полученная информация о доминирующих компонентах и их вкладе в общую погрешность позволяет показать их влияние на результат эксперимента, целенаправленно влияя на источник погрешности.
Основным источником информации о погрешностях и характеристиках погрешностей результатов измере;:;іп является метрологический эксперимент [58, 105]. 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 исполъ .-ется источник известного значения измеряемой величины (мера) - эталонной образец, который воспроизводит требуемое значение измеряемой величині с необходимой точностью.
В качестве образцов для проведения метрологического эксперимента использовались материалы, ТФС кото, ых известны и аттестованы в НПО "ВНИИ им. Д. И. Менделеева". Одним., из таких материалов в экспериментах по определению погрешностей и и., характеристик при измерении ТФС были полиметилметакрилат (11ММ) ТУ . 26-54, рпнор, фторопласт. Эти материалы были выбраны в качестве объе;., а исследования в связи с тем, что их теплофизические свойства в настоящее .іремя хорошо изучены и рекомендованы в качестве стандартных образцов . допуском ±0-4)% для поверки и тарировки приборов и систем и імерений Г- С и температурных переходов.
В качестве нормативного докул пш для оценки погрешностей и их характеристик использована методика :тішерки рабочих средств измерений МИ 115-77, а также методические ука . :;.(! і по определению характеристик погрешностей средств измерений в реа..л1ых условиях эксплуатации РД 50 453-84, измерительных методик МИ 1317-86 п МИ 202-80. В соответствии с этими методиками в качестве основных характерне гик погрешностей измерения ТФС определялись математическое ожидание (систематическая погрешность) и среднеквадратичное отклонение (СКО) случайной составляющей погрешности результата измеренп,":. При лом математическое ожидание рассчитывается по соотношениям:
Анализ погрешностей измерения ТФС и температурных переходов термопластов, представленные в табл. 4.3-4.6 показали, что разработанные контактные и бесконтактные методы НК ТФС и температурных переходов термопластов имеют высокий метрологический уровень и могут успешно применяться в практике теплофизических исследований свойств широкого класса термопластов.
1. Проведен анализ погрешности результатов измерений по разработанным контактному и бесконтактному методам НК ТФС и температурных переходов термопластов на базе аналитических соотношений, полученных с использованием математических моделей измерительных процедур, показавший высокий метрологический уровень этих методов и средств по сравнению с известными техническими решениями.
2. Для разработанных методов контроля ТФС и температурных переходов термопластов 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 разработанных методов и средств НК ТФС и температурных переходов термопластов, подтвердившие корректность основных теоретических выводов, положенных в их основу, а также эффективность их практического применения в области теп-лофизических измерений.
4. На основе метрологического эксперимента получена информация о погрешностях и характеристиках погрешностей результатов измерений, что позволило провести сравнительный метрологический анализ разработанных методов и средств неразрушающего контроля ТФС и температурных переходов термопластов.
5. Результаты экспериментальных исследований дали возможность определить области наиболее целесообразного использования разработанных методов и средств НК ТФС и температурных переходов термопластов по диапазонам и классам исследуемых термопластов.
