Введение к работе
Актуальность темы исследования. Измерения теплофизических свойств (ТФС), в том числе и коэффициента температуропроводности веществ, материалов и изделий необходимо проводить для подтверждения соответствия показателей качества теплоизоляционных материалов, для оптимального проектирования технологических процессов и теплоограждающих конструкций оборудования, зданий и сооружений, а также для выбора рациональных режимов технологических процессов, в том числе процессов теплового неразрушающего контроля, когда значения параметров этих режимов определяются в ходе математического моделирования температурных полей в объекте контроля, а в качестве параметров моделей применяются теплофизические свойства материала объекта, найденные по справочным данным или экспериментально. При этом достижение поставленных целей прямо зависит от точности измерения ТФС.
Наибольшую точность измерения теплопроводности материалов обеспечивают стационарные методы измерения, однако для определения важнейшей теплофи-зической характеристики материалов - коэффициента температуропроводности, определяющего процессы теплопередачи в динамике, стационарный тепловой режим не позволяет обеспечить необходимый объем измерительной информации.
Перспективным направлением в области измерения ТФС, особенно для экспериментального определения значения коэффициента температуропроводности, является использование методов регулярного режима третьего рода (метод периодического нагрева или метод температурных волн). В большинстве случаев в основе этих методов используют упрощенные математические модели, что влечет за собой, с одной стороны, возможность применения несложных расчетных зависимостей, но с другой стороны, появление значительных погрешностей. Однако эти погрешности можно уменьшить за счет выбора режимных параметров эксперимента по определению искомой теплофизической характеристики материала, что является актуальной задачей.
Степень разработанности темы исследования. Метод регулярного режима режима третьего рода берет начало своего развития со второй половины 19 века, когда шведский физик A. Й. Ангстрем предложил измерять коэффициент температуропроводности металлов по времени запаздывания колебаний температуры, распространяемых вдоль металлического стержня. После Ангстрема развитием данного метода занимались многие ученые как в России, так и за рубежом. Наибольший вклад в развитие данного метода внесли известные советские и российские ученые Л. П. Филиппов, С.Н. Кравчун, А.А. Липаев, А.Д. Ивлиев и др. В настоящее время он широко используется для определения теплофизических свойств твёрдых тел,
образцы которых являются массивными (полуограниченными в тепловом смысле) или в виде тонких пленок толщиной несколько нанометров. На основе данного метода создаются и развиваются новые направления теплового неразрушающего контроля, позволяющие определять и регистрировать подповерхностные нарушения структуры. Погрешность измерения коэффициента температуропроводности в некоторых случаях является довольно низкой (не более 5 %), однако она достигается за счет применения высокоточных и дорогих средств измерения, а также средств задания тепловых воздействий, что негативно сказывается на экономической эффективности измерения в целом.
Цель и задачи работы. Цель заключается в повышении точности средств измерения, использующих в основе своего принципа действия метод регулярного режима третьего рода.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать метод определения коэффициента температуропроводности материалов, позволяющий обеспечить снижение погрешности измерения;
провести анализ источников погрешности с целью определения наиболее значимых из них и поиска методов уменьшения их влияния на результат измерения;
определить режимы экспериментального определения, обеспечивающие достижение минимальной точности измерения;
разработать алгоритм и программное обеспечение для реализации методики измерения;
подтвердить снижение погрешности измерения путем проведения калибровки на образцах, имеющие известные тепло физические свойства;
провести измерения коэффициента температуропроводности материалов, необходимого для определения оптимальных режимов теплового контроля веществ.
Научная новизна. Научной новизной диссертации являются:
разработан метод измерения коэффициента температуропроводности материалов, отличающийся тем, что путем изменения периода импульсов теплового потока, генерируемых элементом Пельтье, подбирают такой режим работы измерительного устройства, при котором значение отношения \\j времени запаздывания колебаний температуры в двух точках образца, отстоящих на известном расстоянии х друг от друга, к периоду колебаний находилось в интервале i|/=0,16±0,01;
разработана методика выполнения измерений коэффициента температуропроводности, отличающаяся тем, что перед началом активной стадии измерений по ожидаемому значению коэффициента температуропроводности и значению толщины слоя материала между чувствительными элементами термопреобразователей определяется и задается период то колебаний температуры, а после выхода теплового процесса в образце на регулярный режим в случае если 0,17< \|/<0,15, используя
рассчитанное значение коэффициента температуропроводности, уточняется период т0 до тех пор, пока значение отношения \\j не войдет в интервал 0,15 v|/0,17;
- получены новые экспериментальные данные - значения коэффициента тем
пературопроводности для многослойного графена.
Теоретическая значимость работы. Результаты диссертационной работы развивают и дополняют теорию методов регулярного режима третьего рода в области измерения коэффициента температуропроводности твердых материалов. В диссертации теоретически обоснована методика повышения точности средств измерения, в основе принципа действия которых лежит рассматриваемый метод. На основе инструментов управления качеством выявлены причины появления погрешности, а также рассмотрены методы уменьшения влияния источников погрешностей.
Практическая значимость работы. В работе предложена измерительная установка и программное обеспечение, позволяющие реализовать предложенную методику повышения точности измерения коэффициента температуропроводности материалов. С применением данной установки получены экспериментальные данные, позволившие определить коэффициент температуропроводности многослойного графена различной влажности, плит ЦСП, а также растительных тканей картофеля, содержащие дефекты, полученные в результате фитозаболеваний.
Методология и методы исследования. Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на аналитической теории теплопереноса, математической физике, математическом моделировании, классической теории метрологии и математической статистике.
Положения, выносимые на защиту:
установлено, что для реализованного варианта метода регулярного режима 3-го рода существует область значений отношения времени запаздывания колебаний температуры в двух точках образца с известным расстоянием между ними к периоду колебаний, при которых погрешность измерения коэффициента температуропроводности становится минимальной;
выделены и охарактеризованы этапы экспериментального определения коэффициента температуропроводности материалов, предусматривающие достижение отношения времени запаздывания колебаний температуры в двух точках исследуемого образца с известным расстоянием между ними к периоду колебаний равным значению в диапазоне (0,15…0,17);
выполненные исследования показали, что уменьшение влагосодержания многослойного графена повышает значение его коэффициента температуропроводности, а информация об этом коэффициенте для растительных тканей картофеля различного качества позволяет рассчитать режимные параметры теплового бесконтактного неразрушающего контроля, при которых может быть обеспечен уверенно
обнаруживаемый температурный контраст между здоровыми и дефектными участками поверхности картофеля.
Степень достоверности и апробация результатов исследования.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью поставленных задач, обоснованностью применения теоретических зависимостей и использованных допущений, а также проведенной калибровкой измерительной установки на образцах материалов, имеющих известные теплофизические свойства.
Основные положения диссертации докладывались на следующих национальных и международных конференциях: VI международная конференция «Современные методы прикладной математики, теории управления и компьютерных технологий (ПМТУКТ-2013), (г. Воронеж, 2013 г.); XXI Международная студенческая школа-семинар МИЭМ НИУ ВШЭ, (г. Москва, 2013 г.); XXVI Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ», (Тамбов, 2014 г.); Шестая Российская национальная конференция по теплообмену, РНКТ-6, (г. Москва, 2014 г.); XIV Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ, (г. Казань, 2014 г.); Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Наука и практика в управлении качеством, метрологии и сертификации», (г. Москва, 2014 г.); III Международная научно-техническая конференция «» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.); XVIII Международный Симпозиум "MEТРОЛОГИЯ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ 2018" (г. Созополь, Болгария, 2018 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 23 работы, из них 5 – в изданиях, рекомендованных ВАК, 5 – в изданиях, цитируемых в базах данных Scopus и Web of Sciences.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы и 5 приложений. Объем составляет 125 страницы, в них 24 рисунка и 7 таблиц.