Содержание к диссертации
Введение
1 Информационный обзор и сравнительный анализ методов и измерительных средств неразрушающего контроля ТФС многослойных изделий 19
1.1 Контактные методы неразрушающего контроля ТФС многослойных изделий 23
1.2 Бесконтактные методы неразрушающего контроля ТФС многослойных изделий 29
1.3 Постановка задачи исследования 35
1.4 Выводы 37
2 Методы неразрушающего контроля тфс многослойных изделий 40
2.1 Контактный метод неразрушающего контроля ТФС трехслойных изделий 40
2.2 Бесконтактный метод НК ТФС многослойных изделий с коррекцией влияния степени черноты исследуемых объектов и прозрачности промежуточной между объектами и термоприемниками среды на результаты измерений 50
2.3 Бесконтактный адаптивный по энергетическим параметрам метод неразрушающего контроля ТФС многослойных изделий 64
2.4 Метод неразрушающего контроля ТФС трехслойных изделий с использованием комбинаций контактного и бесконтактного тепловых воздействий на исследуемый объект
2.5 Выводы 82
3 Микропроцессорные системы неразрушающего контроля тфс многослойных изделий 85
3.1 Микропроцессорная система неразрушающего контактного контроля ТФС многослойных изделий 86
3.2 Микропроцессорная система бесконтактного контроля ТФС многослойных изделий с коррекцией результатов измерения на влияние степени черноты, прозрачности среды и тепловых потерь с поверхности исследуемых объектов 92
3.3 Микропроцессорная система бесконтактного контроля ТФС многослойных изделий с адаптацией энергетических параметров теплофизического эксперимента и с коррекцией результатов измерения на дестабилизирующие факторы 97
3.4 Информационно-измерительная система неразрушающего контроля ТФС трехслойных изделий, реализующая комбинацию контактного и бесконтактного методов контроля 102
3.5 Выводы 107
4 Метрологический анализ и экспериментальные исследования контактных и бесконтактных методов неразрушающего контроля тфс многослойных изделий
4.1 Анализ погрешности контактного метода
4.2 Анализ погрешности бесконтактного метода 119
4.3 Анализ погрешности адаптивного бесконтактного метода 122
4.4 Анализ погрешности комбинированного метода 126
4.5 Экспериментальные исследования методов и измерительных систем НК ТФС многослойных изделий 129
4.6 Выводы 137
Заключение 138
Список используемой литературы 141
Приложения 150
- Бесконтактные методы неразрушающего контроля ТФС многослойных изделий
- Бесконтактный метод НК ТФС многослойных изделий с коррекцией влияния степени черноты исследуемых объектов и прозрачности промежуточной между объектами и термоприемниками среды на результаты измерений
- Микропроцессорная система бесконтактного контроля ТФС многослойных изделий с коррекцией результатов измерения на влияние степени черноты, прозрачности среды и тепловых потерь с поверхности исследуемых объектов
- Анализ погрешности бесконтактного 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.
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
Совершенствование и развитие наиболее важнейших и ответственных отраслей техники, таких как ракетостроение, космическое аппаратостроение, атомная энергетика, теплотехника и т.д. требуют создания новых высокопрочных теплозащитных покрытий (оболочек), так как тепловые режимы при эксплуатации таких объектов строго регламентируются.
Наиболее эффективно эта проблема решается с использованием многослойных конструкций защитных покрытий, в которых одни слои обеспечи-
вают 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, достоверности, 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 конст-
рукции, 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 использовать 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.
В современной экспериментальной теплофизике методы НК ТФС весьма разнообразны. Из предварительного анализа методов НК ТФС материалов можно сделать вывод, что наиболее перспективными с точки зрения оперативности, полноты получаемой информации о ТФС, точности и простоты реализации являются нестационарные методы, основанные на импульсно-динамическом тепловом воздействии на исследуемые образцы.
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 контактных и бесконтактных методов и реализующих их микропроцессорных систем, позволяющих осуществлять неразрушающий контроль ТФС многослойных конструкций и 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:
- провести информационный обзор и сравнительный анализ существующих методов и средств неразрушающего контроля ТФС многослойных изделий;
разработать математические модели температурных полей в исследуемых многослойных объектах как при контактном, так и бесконтактном тепловом воздействии от линейного, дискового или подвижного точечного источника тепла, адекватно описывающих тепловые процессы в контролируемых изделиях;
на основе полученной физико-математической модели разработать и исследовать новый контактный метод НК ТФС трехслойных изделий, состоящий в одновременном использовании начальной стадии нестационарного (импульсно-динамического) и квазистационарного тепловых режимов в исследуемом многослойном изделии;
создать бесконтактный НК ТФС двухслойных изделий с коррекцией влияния степени черноты исследуемых объектов и прозрачности промежуточной среды между объектами и приемно-излучательными блоками на результаты измерения;
разработать бесконтактный метод НК ТФС двухслойных изделий с высоким метрологическим уровнем, обусловленным адаптацией энергетических параметров теплофизического эксперимента и коррекцией результатов измерения на тепловые потери в окружающую среду, степень черноты поверхности исследуемых объектов и коэффициент прозрачности среды;
создать комбинированный оперативный 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 теплофизического эксперимента;
- разработать микропроцессорные информационно-измерительные
системы (ИИС), реализующие созданные контактный, бесконтактные и ком
бинированный методы НК ТФС многослойных конструкций и изделий;
провести метрологический анализ разработанных методов и средств НК ТФС многослойных изделий с рекомендациями повышения их метрологического уровня;
осуществить экспериментальную проверку разработанных методов и реализующих их процессорных систем и внедрить эти измерительные средства 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 1994 - 1998г.г.; 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 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 "Аналитические приборы и системы" 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 разработанных физико-математических моделей теплопереноса в двух-и трехслойных системах плоских тел из твердых материалов с различными ТФС при контактном и бесконтактном тепловом воздействии на них от линейного, дискового или подвижного точечного источника тепла создан комплекс новых, защищенных патентами на изобретения, методов НК ТФС материалов каждого из слоев многослойных изделий, имеющих достаточную для технологического контроля точность и оперативность, обеспечивающих полную гарантию сохранения целостности и эксплуатационных характеристик исследуемых объектов.
Микропроцессорные средства, созданные на основе этих методов, существенно упрощают процесс измерений и повышают производительность исследований (иногда в несколько раз) таких сложных для теплофизических измерений объектов как многослойные физические системы, включают в себя структурно-алгоритмические методы повышения точности результатов измерения на основе адаптивных измерительных процедур и цепей.
Отличительной особенностью разработанных методов и реализующих их микропроцессорных измерительных средств является значительное расширение области их применения, обусловленное возможностью контроля ТФС многослойных конструкций и изделий с высоким для теплофизических измерений метрологическим уровнем, который обеспечивается за счет использования адаптивных измерительных процедур при определении энергетических параметров теплофизического эксперимента и уменьшения влияния на результаты измерения состояния поверхности исследуемых объектов, тепловых потерь с поверхности контролируемых изделий в окружающую среду, прозрачности среды и других дестабилирующих факторов.
Проведен метрологический анализ разработанных методов и средств НК ТФС многослойных изделий и даны рекомендации по повышению их метрологического уровня, для чего получены структуры полной погрешности созданных методов, проведена оценка вклада каждой компоненты в соответствующую характеристику погрешности, выявлены доминанты в составе полной погрешности, что позволило целенаправленно воздействовать на источники составляющих общей погрешности.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе разработанных контактного, бесконтактного и комбинированного методов НК ТФС многослойных изделий, которые защищены патентами РФ на изобретения №2208778, № 2211446, № 2245538, созданы и внедрены в производство микропроцессорные ИИС с соответствующим алгоритмическим, программным и метрологическим обеспечением, позволившие расширить область применения тепловых методов и средств НК за счет возможности определения ТФС многослойных (двух-трехслойных) изделий с высокой для теплофизических измерений точностью как в лабораторных, так и промышленных условиях.
Реализация результатов работы заключается в создании и внедрении при непосредственном участии автора информационно-измерительных систем контактного, бесконтактного неразрушающего контроля ТФС многослойных изделий. 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 научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на IV международной теплофизической школе "Теплофизические измерения в начале XXI века" (Тамбов, 2001), VI научной
конференции ТГТУ (Тамбов, 2001), XV Международой научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Тамбов, 2002), XV Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Тамбов, 2002), Школе-семинаре молодых ученых "Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции" (Тамбов, 2003), VIII научной конференции ТГТУ (Тамбов, 2003), IV Всероссийской с международным участием научно-практическом семинаре (Санкт-Петербург, 2003), 3-я Международной конференции "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности" (Москва, 2004), Всероссийской научно-технической конференции "Энергосбережение и энергоэффективные технологии - 2004" (Липецк, 2004), V международной тепло-физической школе "Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством" (Тамбов, 2004), X научной конференции ТГТУ (Тамбов, 2005).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы отражены в 24-х печатных работах, в том числе 12-и статьях в центральных и региональных научных журналах, 3-х патентах на изобретения.
Личный вклад автора
Из 24-х печатных научных работ по теме диссертации 19 работ опубликованы без соавторов. 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 187 страницах машинописного текста, 12 рисунках и 14 таблицах. Список литературы включает 86 наименований.
На защиту выносятся
Математические модели теплопереноса в двух- и трехслойных системах плоских тел из твердых материалов с различными ТФС при контактном и бесконтактном тепловом воздействии от линейного, дискового или подвижного точечного источника тепла, адекватно описывающие тепловые процессы в контролируемых изделиях и учитывающие состояние поверхности исследуемых объектов, тепловые потери с поверхности этих объектов в окружающую среду, прозрачность среды и другие дестабилизирующие факторы.
Разработанные на основе полученных физико-математической моделей новые, защищенные патентами на изобретения, более эффективные в метрологическом отношении контактные и бесконтактные методы контроля ТФС многослойных изделий без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик, а именно:
контактный метод НК ТФС трехслойных изделий, состоящий в одновременном использовании начальной стадии нестационарного (импульсно-динамического) и квазистационарного тепловых режимов в исследуемом многослойном изделии;
метод бесконтактного НК ТФС двухслойных изделий с коррекцией влияния степени черноты исследуемых объектов и прозрачности промежуточной среды между объектами и приемно-излучательными блоками на результаты измерения;
бесконтактный адаптивный метод НК ТФС двухслойных изделий, имеющий высокую точность и полную гарантию сохранения целостности и эксплуатационных характеристик исследуемых объектов в условиях ограниченной априорной информации об их свойствах, обусловленных адаптацией
энергетических параметров теплофизического эксперимента и коррекцией результатов измерения на тепловые потери в окружающую среду, степень черноты поверхности исследуемых объектов и коэффициент прозрачности среды;
- комбинированный оперативный 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 теплофизического эксперимента.
Микропроцессорные информационно-измерительные системы, реализующие созданные контактный, бесконтактные и комбинированный методы НК ТФС многослойных конструкций и изделий.
Метрологический анализ разработанных методов и средств 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.
Известен бесконтактный метод НК ТФС изделий [50], на поверхность которых нанесено теплозащитное покрытие, основанный на импульсно-динамическом тепловом воздействии на исследуемые объекты. Сущность этого метода состоит в том, что вначале над исследуемым изделием без покрытия помещают источник инфракрасного излучения, сфокусированный на поверхность изделия в виде пятна диаметром d не менее 20 мм, чтобы тепло 32 вому воздействию был подвергнут достаточный для получения достоверных результатов объем изделия. Кроме того, над поверхностью исследуемого изделия размещают термоприемник, сфокусированный на центр круга теплового воздействия. Затем осуществляют тепловое воздействие импульсами заданной мощности, длительности и частоты следования. Фиксируют два момента времени Ті и Т2, когда температура в центре пятна нагрева достигнет двух заданных значений 7/ и 7 , измеряя при этом число тепловых импульсов П] и П2, которое наносится источником тела на поверхность изделия соответственно в моменты времени г/ и Т2. Далее аналогичные операции производят над изделием с покрытием и определяют при этом также число тепловых импульсов, поданных импульсным источником тепла в моменты времени, когда избыточная контролируемая температура в центре пятна нагрева стала равной тем же двум заданным значениям. Искомые ТФС покрытия и ее толщину определяют по соответствующим формулам.
Бесконтактный метод НК ТФС многослойных изделий с коррекцией влияния степени черноты исследуемых объектов и прозрачности промежуточной между объектами и термоприемниками среды на результаты измерений
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. Поскольку в бесконтактных тепловых методах НК ТФС избыточную температуру нагреваемой поверхности исследуемых объектов контролируют термоприемниками по электромагнитному излучению, то основными источниками, влияющими на общую погрешность измерений, являются степень черноты исследуемых объектов, прозрачность среды между поверхностью исследуемых объектов и термоприемниками, влияние неучтенных тепловых потерь с поверхности исследуемых изделий в окружающую среду и т.д. Поэтому при создании новых бесконтактных методов и средств НК ТФС многослойных изделий основное внимание уделяется разработке измерительных процедур, компенсирующих влияние вышеперечисленных источников общей погрешности измерений, либо вводится коррекция результатов измерения с учетом влияния этих составляющих погрешности.
Сущность разработанного способа заключается в следующем [67-71]. Над исследуемым двухслойным изделием 1 вначале с одной стороны помещают точечный источник тепловой энергии 2 и два термоприемника 3 и 4, сфокусированных на поверхность, подверженной тепловому воздействию (рис. 2.3). В качестве точечного источника тепловой энергии используется лазер, сфокусированный на поверхность исследуемого образца.
Источник энергии 2 и термоприемник 3 жестко связаны друг с другом и представляют собой измерительную головку. Термоприемники, установленные на высоте z от поверхности исследуемого образца, жестко связаны соответственно с экранами 5 и 6, расположенных с зазорами от поверхности образца на высоте z0. Термоприемник 3 установлен от источника 2 на расстоянии R\, при котором с учетом экрана 5, расположенного от поверхности образца на высоте z0, обеспечивается отсутствие влияния источника энергии на результаты измерений температуры из-за прямого воздействия на термо 52 приемник частично отраженного от поверхности объекта лазерного луча. Перемещение термоприемника 4 осуществляется по оси х, а термоприемника 3 -по параллельной ей прямой А.
Вначале перемещают термоприемник 4 над исследуемым образцом без воздействия на него точечного источника энергии и измеряют им температуру на поверхности исследуемого объекта. Синхронно с этим, используя высокоточный электрический термометр, измеряют температуру окружающей среды. В результате этого, используя отношение средней температуры, измеренной термоприемником на поверхности объекта, к средней температуре окружающей среды, определяется коэффициент , учитывающий значения степени черноты є поверхности исследуемого образца и прозрачности /? окружающей среды, разделяющей поверхность исследуемого образца и прием-но-излучательные блоки измерительной системы.
Далее фокусируют термоприемник 3 в центр пятна нагрева источника, а термоприемник 4 в точку поверхности хн, расположенную на линии движения источника и на расстоянии от пятна нагрева, равного толщине слоя изделия h\. Включают источник энергии с начальной минимальной мощностью qm\n, при которой в центре пятна нагрева появляется избыточная температура Т\, уровень которой выше чувствительности термоприемной аппаратуры. Измерение избыточной температуры в центре пятна нагрева производят в моменты времени, когда окно термоприемника открыто, а лазерный луч перекрыт оптическим затвором 7. Использование оптического затвора позволяет исключить влияние источника энергии на результаты измерений температуры из-за прямого воздействия на термоприемник частично отраженного от поверхности объекта лазерного луча. Постепенно увеличивают мощность источника тепла и синхронно с перекрытием лазерного луча измеряют избыточную температуру в центре пятна нагрева. Увеличение мощности источника энергии осуществляют до тех пор, пока в точке xH=h\ появится избыточная температура, равная 0,1-0,2 К, а контролируемая температура в центре пятна нагрева сравнивается с температурой термодеструкции исследуемого мате 53 риала. Если значение этой температуры приближается к величине, равной 0,8 температуры термодеструкции, то увеличение мощности источника тепла прекращается. При этом фиксируют значение мощности источника тепла qm. Выбранная таким образом мощность источника тепла #и обеспечивает такой режим нагрева, при котором, во-первых, исследуемый слой изделия можно считать полубесконечным в тепловом отношении телом, т.к. на тепловой режим в этом случае не будет практически оказывать влияние второй (нижний) слой изделия, во-вторых, нагрев исследуемого слоя будет производится до температуры, величина которой ниже температуры термодеструкции материала исследуемого слоя, что обеспечит гарантию сохранения его целостности.
В процессе бесконтактного теплового воздействия на поверхность исследуемого объекта от подвижного источника тепла с нее в окружающую среду происходят тепловые потери. Эти потери происходят за счет неполного поглощения тепловой энергии источника тепла поверхностью исследуемого объекта, а также вследствие конвективного и лучистого теплообмена с поверхности исследуемого тела в окружающую среду. Кроме того, часть тепла поглощается окружающей средой при прохождении через нее излучения от источника тепла до объекта исследования в результате молекулярного поглощения и рассеяния на частицах пыли и воды, содержащихся в окружающей среде (атмосфере).
Микропроцессорная система бесконтактного контроля ТФС многослойных изделий с коррекцией результатов измерения на влияние степени черноты, прозрачности среды и тепловых потерь с поверхности исследуемых объектов
ТФС двухслойных изделий с адаптацией по энергетическим и пространственным параметрам и коррекцией результатов измерений на тепловые потери Основным блоком разработанной ИИС является системный процессор 5 с цифровым индикатором 6 и клавиатурой 7. К системному процессору 5 через его порты (адаптеры ввода-вывода) подключены также оптический затвор 8 источника тепла, датчик положения 9 термоприемника 4 относительно точечного источника тепла 2, управляющий вход электронного ключа 10, информационный вход которого подключен к выходу термоприемника 4, а выход ключа соединен с первым входом вычитающего устройства 11. Второй вход вычитающего устройства 11 соединен с выходом термоприемника 3, а выход вычитающего устройства через усилитель мощности 12 подключен к цепи питания реверсивным двигателем 13, выход которого в свою очередь соединен с механизмом перемещения 14 термоприемника 4 относительно теплового источника 2 по оси х-ов. Перемещение всей информационной головки ИИС, включающей точечный источник тепла 2 и термоприемники 3, 4, над поверхностью исследуемых изделий с заданной скоростью V осуществляется двигателем постоянного тока 15 через механизм перемещения 16, который кинематически связан с измерительной головкой. Управление работой двигателя 15 осуществляется системным процессором 5 через блок питания 17 и блок управления двигателем 18. Фокусировка термоприемника в центр пятна нагрева источника тепла 2 осуществляется устройством управления фокусировкой 19, которая через механизм фокусировки 20 изменяет положение термоприемника 3 относительно поверхности контролируемого изделия. Один из выходов микропроцессора подключен к блоку питания 21 лазерного нагревателя, а также к вычитающему устройству 11 и фотозатвору 8. В свою очередь один из информационный входов процессора 5 подключен к термоприемнику 4. Электрический термометр 22 через усилитель нормализации сигнала 23 подключен к системному процессору 5.
Работа измерительной системы осуществляется следующим образом. Вначале ИИС с клавиатуры 7 приводится в исходное состояние, при котором электронный ключ 10 закрыт, источник питания 21 лазера и источник питания 17 двигателя 15 перемещения измерительной головки системы выключе 95 ны. Затем по команде с системного процессора 5 блок управления 19 через механизм 20 фокусирует термоприемник 4 в центр пятна нафева лазера 2, а термоприемник 3 перемещается по оси х-ов на расстояние л:,, = / от источника тепла реверсивным двигателем 13, который управляется микропроцессором через блок 18, перемещая в нужную сторону термоприемник 4 в зависимости от информации с датчика 9 о местоположении этого термоприемника. Сигнал управления вырабатывается системным процессором 5 по соответствующей подпрофамме, использующей соотношение (2.17) и реализующей алгоритм hx-xH = 0.
Далее по команде с системного процессора 5 включают блок питания 17 двигателя постоянного тока 15 и, изменяя блоком 18 величину напряжения питания двигателя, устанавливают заданную в процессоре скорость перемещения V измерительной головки ИИС над исследуемым изделием. Одновременно с этим с помощью электрического термометра 22 измеряют температуру окружающей среды и термоприемником 4 температуру поверхности исследуемых изделий. Полученную информацию заносят в ОЗУ процессора 5.
Затем включают лазерный источник на найденную ранее мощность q„ и начинают пошаговое перемещение термоприемника 4 по оси х-ов в сторону приближения к пятну нафева источника 2. На первом шаге, который устанавливается с помощью датчика 19 и берется равным 0,2-0,5 мм, информация с термоприемника 4 через открытый микропроцессором ключ 10 поступает на первый вход вычитающего устройства 11, на второй вход которого подается информация с термоприемника 3, фиксирующего температуру Т2 на расстоянии R2 от источника тепла. Информация о разности AT, =Т2- T(xt) с выхода блока 11 поступает в процессор 5, а также на усилитель мощности 12, сигнал с которого поступает на реверсивный двигатель 13 и через механизм 14 перемещает термоприменик 4 на следующий шаг Ах{. Изменение расстояний между термоприемником 4 и источником тепла 2 осуществляют до тех пор, пока измеряемая избыточная температура Т\{х) станет равной значению измеряемой температуры Т2, т.е. Ti(x)=T2. При этом измеряют датчиком 9 значение расстояния Rx\ между термоприемником 4 и точкой подвода теплоты. Затем по команде с системного процессора 5 увеличивается мощность источника 21 питания лазера в два раза и повторяется по вышеописанному алгоритму работа соответствующих блоков ИИС. В результате измеряют значение расстояния Rx2, при котором выполняется вышеуказанное соотношение контролируемых избыточных температур, а искомые теплофизические свойства определяют в микропроцессоре по программам, построенным на основании соотношений (2.29) и (2.37). Полученные значения ТФС контролируемого слоя хранятся в ПЗУ системного процессора 5 и могут быть вызваны в любое время после окончания теплофизического эксперимента на цифровой индикатор 6 оператором с клавиатуры 7.
Основным преимуществом разработанной микропроцессорной ИИС бесконтактного НК ТФС двухслойных изделий перед известными системами данного назначения является автоматическая адаптация энергетических и пространственно-временных параметров теплофизического эксперимента, что, во-первых, позволяет создать такой тепловой режим в контролируемом изделии, при котором каждый из слоев, подверженных тепловому воздействию, можно считать полубесконечным в тепловом отношении телом по отношению к источнику теплового воздействия и термоприемникам измерительной головки ИИС, во-вторых, позволяет полностью исключить возможность разрушения исследуемых объектов из-за нагрева их до температуры термодеструкции, в-третьих, позволяет обеспечить высокий уровень информативных сигналов термоприемников, что повышает точность нахождения искомых ТФС.
Анализ погрешности бесконтактного метода
Для бесконтактного метода неразрушающего контроля теплофизиче-ских свойств (ТФС) материалов, рассмотренного в разделе 2.2, уравнения для определения коэффициентов температуропроводности а и теплопроводности X имеют следующий вид: где V - скорость движения источника и термоприемников относительно исследуемого тела, [м/с]; R\, Rx\, R& - соответственно заданное и найденные расстояния между центром пятна нагрева и точками контроля температуры, [м]; х\ - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки R\ на линию движения источника тепла, [м]; к - коэффициент, учитывающий значение коэффициента излучения є поверхности исследуемого образца, а также коэффициента прозрачности /? окружающей среды, разделяющей поверхность исследуемого образца и приемно-излучательные блоки измерительной системы; qm - мощность источника тепла (лазера), [Вт]; Т\ (х) - значение интегральной во времени избыточной температуры в точке на расстоянии RX2 от центра пятна нагрева при мощности источника 2qm.
Полученные для компонент соотношения позволяют оценить характеристики введенных компонент, выделить доминанты и определить характеристики полных погрешностей Acij и AXj . Программа для выделения доминирующих составляющих в общей погрешности измерения ТФС материалов представлена в приложении Г, а результаты выделения доминант - в таблице 4.2. При анализе характеристик До,- и AXj получается, что ансамбль измерительных экспериментов относится к определению ТФС различных материалов в различных условиях, когда величины V, R\, х\, Rx\, Rx2, qm, Т] (х), к случайны. Таблица 4. Параметр V Rx Х\ Rx\ 7ит Ti\x) Rxi Максимальное отклонение, % 5а 10 49,71 24,14 12,99 - - 5Х - - - 51,84 10 11,11 31,83 Примечание: отклонение каждого параметра ±10 % при постоянстве остальных. Анализ исходных данных и прямой просчет показывает, что из четырех компонент а доминируют R\ и х\, далее Rx\ и V. Для Л доминирует Rx\, далее по степени значимости следуют RX2, Т\ (х), к и qm.
Полученная информация о доминирующих компонентах и их вкладе в общую погрешность контроля ТФС многослойных изделий позволяет провести коррекцию результатов измерения, а в теплофизическом эксперименте целенаправленно воздействовать на источники этих составляющих общей погрешности.
Для бесконтактного метода неразрушающе го контроля теплофизиче-ских свойств двухслойных изделий определяются в соответствии с соотношениями (2.42) и (2.51). Для удобства вывода аналитических выражений, описывающих компоненты общей погрешности, обозначим в этих соотношениях Тзад через Tj, Щг) через Т2, TUMn-qum=Qu и зададим условие, что 2Rj=R2. Последнее условие не будет оказывать влияния на анализ погрешностей разработанного метода через выделение доминант среди составляющих общей погрешности контроля.
Полученные для компонент соотношения позволяют оценить характеристики введенных компонент, выделить доминанты и определить характеристики полных погрешностей Да/ и AXj . Программа для выделения доминирующих составляющих в общей погрешности измерения ТФС материалов представлена в приложении Г, а результаты выделения доминант - в таблице 4.3. При анализе характеристик Aaj и AXj получается, что ансамбль измерительных экспериментов относится к определению ТФС различных материалов в различных условиях, когда величины QH, К, V, R\, R2, Т\, Т2, F\, F2, х2 случайны. Таблица 4. Параметр Q» к V R\ Ri Тх т2 Fi F2 Х2 Максимальное отклонение, % 5а - 10 - 49 37 142 - - ЬХ 10 10 - 9 - 9 - 50 15 Примечание: отклонение каждого параметра +10 % при постоянстве остальных. Анализ исходных данных и прямой просчет показывает, что из пяти компонент температуропроводности а доминируют Т\ и Т2, далее R2 и х2. Для теплопроводности X доминирует F\ и F2, далее по степени значимости следуют T\,R\,kn Qu. Полученная информация о доминирующих компонентах и их вкладе в общую погрешность контроля ТФС многослойных изделий позволяет про 126 вести коррекцию результатов измерения, а в теплофизическом эксперименте целенаправленно воздействовать на источники этих составляющих общей погрешности.
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 [64], измерительных методик МИ 1317-86 и МИ 202-80. В соответствии с этими методиками в качестве основных характеристик погрешностей измерения ТФС определялись математическое ожидание (систематическая погрешность) и среднеквадратичное отклонение (СКО) случайной составляющей погрешности результата измерений.
Внутренний слой 62 68 29 24 32 0,052 5,42-10"7 4,8 7,67 Экспериментальная проверка показала корректность основных теоретических выводов, положенных в основу предложенного метода неразру-шающего контроля ТФС многослойных конструкций без нарушения их целостности.
1. Проведен анализ погрешности результатов измерений по контактным и бесконтактным методам НК ТФС многослойных изделий на базе аналитических соотношений, полученных с использованием математических моделей измерительных процедур.
2. Для разработанных методов 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 контактного, бесконтактного и комбинированного методов и средства неразрушающего контроля ТФС многослойных 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. На основе метрологического эксперимента получена информация о погрешностях и характеристиках погрешностей результатов измерений, что позволило провести сравнительный метрологический анализ разработанных методов и средства неразрушающего контроля ТФС многослойных изделий.
5. Результаты экспериментальных исследований дали возможность определить области наиболее целесообразного использования разработанных методов и средства НК ТФС по диапазонам и классам исследуемых многослойных конструкций и изделий.
