Методы и средства неразрушающего контроля теплофизических свойств многослойных изделий

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 обеспечивают прочность, а другие — тепловую защиту. При разработке, испытании и эксплуатации таких многослойных теплозащитных покрытий необходимо иметь информацию о ТФС как отдельных слоев, так и всей конструкции защитной оболочки в целом, т.к. ТФС в этом случае являются параметрами, определяющими надежность, работоспособность, а в итоге и качество готовых изделий этих отраслей техники. Поэтому получение оперативной и достоверной информации о теплофизических параметрах многослойных теплозащитных покрытий становится уже необходимым условием как при создании, так и эксплуатации этих ответственных изделий.

Для решения этой задачи наиболее перспективными с точки зрения оперативности, 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 конструкции, то для решения этой задачи необходимо также разработать новые методы и средства НК ТФС многослойных строительных изделий как в процессе их изготовления, так и в реальных условиях эксплуатации.

В связи с возрастающим объемом производства биметаллов и изделий из них, повышением требований к их эксплуатационным характеристикам становится актуальной задача оперативного контроля в процессе их производства основных показателей качества, таких как геометрические параметры, прочность сцепления слоев, зависящая от сплошности соединения компонентов биметалла, а также теплофизические свойства, т.к. большинство изделий из биметаллов (вкладыши, подшипники скольжения, втулки, упорные кольца, сферические опоры) работают в жестких тепловых режимах.

Поскольку биметаллы и изделия из них представляют многослойную (двух-, трехслойную) конструкцию, то для определения дефектов от нарушения сплошности соединения слоев целесообразно использовать тепловые методы НК, позволяющие с большой разрешающей способностью, оперативностью и точностью определить размеры и место дефектов, т.к. ТФС металлических слоев и воздушных зазоров между ними отличаются не менее, чем на два порядка. Для определения же геометрических параметров биметаллов (толщина слоев) на основе теплометрических методов необходимо предварительно определить ТФС каждого слоя, а затем определить уже искомые толщины. Поскольку контроль этих основных параметров необходимо проводить в процессе производства биметаллов и изделий из него, то наиболее эффективно здесь использовать бесконтактные методы НК, позволяющие непрерывно получать информацию об основных параметрах качества и 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 неразрушающе го 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 потоков. 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 РЖ 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 комбинированный 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 — 1998 г.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 № 2 208 778, № 2 211 446, № 2 245 538, 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.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Проведенный информационный анализ показал, что во многих важнейших и ответственных отраслях техники, таких как космическое аппарато-строение, атомная энергетика, теплоэнергетика, машиностроение, строительство и т. д. требуется определять теплозащитные свойства многослойных конструкций и изделий без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик. Поэтому разработка новых эффективных методов и средств неразрушающего контроля ТФС многослойных физических систем является актуальной задачей теплофизических измерений.

2. Разработаны математические модели температурных полей в исследуемых многослойных объектах 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.

3. На основе полученных физико-математической моделей разработаны 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.

4. Разработаны микропроцессорные информационно-измерительные системы, реализующие созданные контактный, бесконтактные и комбинированный методы НК ТФС многослойных конструкций и изделий, позволяющие определять весь комплекс искомых ТФС с высокой для теплофизиче-ских измерений точностью, которая обеспечивается, во-первых, автоматическим введением поправок в результаты контроля, учитывающих тепловые потери за счет лучистого и конвективного теплообмена с поверхности исследуемых объектов в окружающую среду, во-вторых, алгоритмической коррекцией результатов измерения на влияние степени черноты поверхности исследуемых изделий и коэффициента прозрачности среды, разделяющей поверхность контролируемых объектов и приемно-излучательных блоков ИИС. В созданных системах, кроме того, в процессе измерений осуществляется адаптивный поиск оптимальных значений энергетических параметров теплофизического эксперимента, что позволяет полностью исключить возможность теплового разрушения исследуемых изделий с сохранением высокого метрологического уровня разработанных средств контроля.

5. Проведен анализ погрешности результатов измерений по разработанным контактному, бесконтактному и комбинированному методам на базе аналитических соотношений, полученных с использованием математических моделей объектов измерений. Для названных выше 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.

6. Проведены экспериментальные исследования разработанных методов и средств НК ТФС многослойных изделий. Результаты метрологических экспериментов показали корректность основных теоретических выводов, положенных в основу разработанных методов. Микропроцессорные системы, реализующие контактный и комбинированные методы НК ТФС многослойных изделий внедрены в промышленное производство.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.