Введение к работе
Актуальность работы. Развитие многих отраслей промышленности требует не только применения 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 свойствами и эксплуатационными характеристиками. В случаях, когда применение изделий связано с протеканием в них тепловых процессов, необходимо иметь информацию о их теилофизических свойствах (ТФС), так как*/ они являются параметрами, определяющими качество готового изделия. В практике определения ТФС материалов наибольшее развитие и распространение получили тепловые методы иеразрушающего контроля (НК), ха-^ растеризующиеся 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, перспективы применения в самых различных технологических процессах для контроля качества движущихся или вращающихся объектов, возможность широкого применения в автоматизированных системах управления технологических процессов. Однако достоверность и точность результатов измерения при применении этих методов и средств зависят от выбора точек контроля избыточных температур на поверхности исследуемых объектов в процессе проведения температурно-пространственных измерений и от решения задач, связанных с учетом тепловых потерь в окружающую среду с поверхности контролируемых" мате-'-' риалов и изделий, а гарантия сохранения целостности зависит от задания тепловых режимов при проведении теплофизического эксперимента. Поэтому актуальной задачей является создание методов и средств, позволяющих учесть тепловые потери в окружающую среду с поверхности контролируемых материалов и, тем самым, повысить точность контроля.
Надежность, работоспособность, а в итоге качество готовых изделий в наиболее ответственных отраслях техники (ракетостроение, космическое аппаратостроение, атомная энергетика и т.д.) зависят от теилофизических 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 актуальность разработки новых методов, позволяющих решать эту задачу, также не вызывает сомнений.
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 иеразрушающего контроля" на 1994 - 1998 гг.; программа Минвуза РФ "Комплексные системы измерений, контроля и испытаний в народном хозяйстве" на 1998 - 2000 гг.; программа министерства образования РФ "Инновации высшей школы и введение интеллектуальной собственности в хозяйственный оборот" по разделу "Инновационные
научно-технические проекты" 2000 г.; программа Миннауки РФ на 2000 -2001 гг. по финансированию научных исследований и экспериментальных разработок, проект "Создание микропроцессорных приборов оперативного неразрушающего контроля термосопрогивления многослойных строительных конструкций с пенополпуретановыми теплозащитными покрытиями", шифр: "Теплогидрощит".
Предмет исследований. Бесконтактные методы и реализующая их микропроцессорная система, позволяющая оперативно и с достаточной точностью осуществлять неразрушающий контроль ТФС твердых материалов и готовых изделий.
Цель работы. Разработка, исследование и внедрение в практику новых бесконтактных методов и реализующей их микропроцессорной системы НК ТФС твердых материалов, позволяющих повысить оперативность и точность контроля ТФС. Для достижения поставленной цели необходимо:
разработать математическую модель тепловых процессов в исследуемых объектах при бесконтактном тепловом воздействии на них от подвижного точечного источника тепла, учитывающую тепловые потери, оказывающие существенное влияние на температурное поле исследуемых объектов при указанном виде теплового воздействия;
определить область применения разработанной модели и дать рекомендации по выбору диапазонов и соотношений основных ее параметров, при которых модель адекватна физике тепловых процессов в исследуемых объектах;
разработать и исследовать на основе полученной физико-математической модели новые, более эффективные в метрологическом отношении бесконтактные методы контроля ТФС твердых материалов без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик;
разработать микропроцессорную систему, реализующую эти бесконтактные методы контроля ТФС твердых материалов;
провести метрологический анализ методов и системы 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, математическом моделировании, метрологии и метрологическом эксперименте с использованием эталонных образцов материалов, а также на результатах выполнения научно-исследовательских работ на базах межвузовской лаборатории "Теплофизические измерения и приборы", Тамбовского областного отделения "Российское общество по не-разрушающему 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 подвижного точечного источника тепла, разработаны новые бесконтактные методы контроля ТФС, имеющие достаточную для технологического контроля точность, большую оперативность, полную гарантию сохранения це-
лостности объекта исследования и позволяющие существенно уменьшить влияние на результаты измерений состояния поверхности исследуемого объекта, степени ее черноты и тепловых потерь с поверхности, имеющих место при бесконтактном тепловом воздействии от подвижного источника; проведен метрологический анализ разработанных методов на аналитической основе.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе разработанных методов бесконтактного НК ТФС материалов и изделий создана и внедрена в производство микропроцессорная система с соответствующим алгоритмическим, программным и метрологическим обеспечением, позволяющая оперативно и с высокой для теплофизических измерений точностью контролировать ТФС широкого класса материалов и готовых изделий как в лабораторных, так и промышленных условиях. Результаты диссертационной работы приняты к использованию в ОАО "Тамбоврези-ноасботехника" г. Тамбова, а также в учебном процессе ТГТУ.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на XV-й Российской научно-технической конференции "Неразрушающнй контроль и диагностика" (г. Москва, 1999 г.), на Ш-й Международной теплофизической школе "Новое в теплофизических свойствах"( г. Тамбов, 1998г.), на IV-й и V-й научных конференциях ТГТУ (г. Тамбов, 1999, 2000 гг.), на международной научно-технической конференции "Проектирование и эксплуатация электронных средств", (г. Казань-Таганрог, 2000 г.), на международной научно-технической конференции "Информационные технологии в проектировании микропроцессорных систем" ИТ ПМПС-2000 (г. Тамбов, 2000 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, на один из разработанных методов бесконтактного НК ТФС материалов и изделий получено положительное решение о выдаче патента РФ на изобретения, два других метода проходят экспертизу на выдачу патента РФ.
Структура работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение и приложение, изложенные на 155 страницах машинописного текста, 13 рисунках и 30 таблицах. Список литературы включает 75 наименований.
