Метод и система неразрушающего контроля теплофизических свойств многослойных конструкций и 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.

Обеспечение надежности функционирования объектов различных отраслей промышленности требует наличия соответствующих методов и средств неразрушающего контроля и диагностики для определения их технического состояния. При этом повышение требований достоверности результатов диагностики, и практика это подтверждает, приводит к необходимости перехода от дефектоскопии объектов (обнаружения дефектов) к дефектомет-рии (определению характеристик дефектов), что дает возможность оценки остаточного ресурса исследуемых объектов.

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.

В настоящее время много внимания уделяется решению проблем строительства и реконструкции зданий и сооружений в целях обеспечения комфортного пребывания в них людей при эффективном использовании энергоносителей. 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, 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.

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 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 неразрушающего 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 метода и реализующей его микропроцессорной мобильной измерительной системы, позволяющей осуществлять НК ТФС многослойных 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:

— на основе физико-математических моделей, описывающих квазистационарные тепловые процессы в исследуемых многослойных объектах, разработать и исследовать новый 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 теп-лофизического эксперимента;

— разработать микропроцессорную информационно-измерительную систему (ИИС), реализующую созданный метод НК ТФС трехслойных изделий;

— провести метрологический анализ разработанного метода и системы НК ТФС многослойных изделий с рекомендациями повышения их метрологического уровня;

— провести экспериментальную проверку работоспособности созданных метода и ИИС НК ТФС трехслойных изделий и внедрить 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 2002;2006 г. г.- программа Минвуза РФ «Комплексные системы измерений, контроля и испытаний в народном хозяйстве» на 2004;2005 г. г.- программа Миннауки РФ на 2000;2001 г. г. 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 «Криминалистика и информатизация правовой деятельности «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 физико-математических моделей теплопереноса в трехслойных системах плоских тел из твердых материалов с различными ТФС при контактном и бесконтактном тепловом воздействии на них от дискового и подвижного точечного источника тепла создан новый, защищенный патентом на изобретение, метод НК ТФС материалов каждого из слоев трехслойной конструкции, отличительной особенностью которого является одновременное определение ТФС всех слоев исследуемых объектов, а также использование адаптивных измерительных процедур при определении энергетических параметров тепло-физического эксперимента, позволяющее исключить влияние внутреннего слоя исследуемой трехслойной системы на тепловые процессы при исследовании ее наружных слоев, что обеспечило существенное повышение достоверности результатов контроля ТФС каждого из исследуемых слоев и полную гарантию сохранения их целостности и эксплуатационных характеристик.

Микропроцессорная ИИС, созданная на основе этого метода, существенно упрощают процесс измерений и повышает производительность исследований (иногда в несколько раз) таких сложных для теплофизических измерений объектов как многослойные физические системы, включает в себя структурно-алгоритмические методы повышения точности результатов измерения на основе математического описания измерительных процедур и цепей.

Отличительной особенностью разработанных метода и реализующего его микропроцессорного измерительного средства является значительное расширение области их применения, обусловленные возможностью нераз-рушающего контроля ТФС трехслойных физических систем из плоских тел с достаточной для технологического контроля точностью и оперативностью.

Проведен метрологический анализ разработанных метода и средства НК ТФС многослойных изделий и даны рекомендации по повышению их метрологического уровня.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе разработанного метода НК ТФС многослойных изделий, который защищен патентом РФ на изобретение, создана и внедрена в производство микропроцессорная ИИС с соответствующим алгоритмическим, программным и метрологическим обеспечением, позволившая расширить область применения тепловых методов и средств НК за счет возможности определения ТФС многослойных (трехслойных) изделий с высокой для тепло физических измерений точностью как в лабораторных, так и промышленных условиях, а также определять геометрические размеры и термосопротивление трехслойных ограждающих строительных конструкций для различных теплоизоляционных материалов в зависимости от климатических особенностей регионов России. Результаты диссертационной работы приняты к использованию в ОАО «Во-ронежстрой» (г. Воронеж), ОАО «Рэмик-Центр» (г. Москва), а также в учебном процессе ТГТУ.

Реализация результатов работы заключается в создании и внедрении при непосредственном участии автора информационно-измерительных систем неразрушающего контроля ТФС многослойных изделий, которая внедрена и успешно используется в ОАО «Воронежстрой», ОАО «Рэмик-Центр» (г. Москва), а также в учебном процессе ТГТУ.

Апробация работы.

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на шестой международной теплофизической школе «Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством» (Тамбов, 2007), VII-ой Международной научной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (Ялта, 2007), XI-XII научных конференциях ТГТУ (Тамбов, 2006;2007).

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы отражены в 9-ти печатных работах, в том числе 1-ой монографии, 3-х статьях в центральных научных журналах, 4-х публикациях в региональных журналах, 1 патенте на изобретение.

Личный вклад автора.

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 110 страницах машинописного текста, 9 рисунках, 9 таблицах, список литературы включает 72 наименования.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Проведенный информационный анализ показал, что во многих отраслях народного хозяйства, таких как строительство, машиностроение, теплоэнергетика и т. д. требуется определять теплозащитные свойства многослойных конструкций и изделий без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик. Поэтому разработка новых методов и средств неразрушающего контроля ТФС многослойных физических систем является актуальной задачей теплофизических измерений и технической диагностики.

2. На основе моделей, описывающих тепловые процессы в исследуемых трехслойных объектах при контактном тепловом воздействии от дискового источника и бесконтактном тепловом воздействии от подвижного точечного источника тепла, разработан новый метод НК ТФС трехслойных изделий, в котором используется комбинация контактного и бесконтактного теплового воздействия на исследуемые объекты, что позволило почти в 2 раза повысить оперативность контроля. Использование в разработанном методе адаптивных измерительных процедур при определении энергетических параметров теплофизического эксперимента позволяет, во-первых, исключить влияние внутреннего слоя исследуемой трехслойной системы на тепловые процессы при исследовании ее наружных слоев, во-вторых, обеспечивает существенное повышение достоверности результатов контроля ТФС каждого из исследуемых слоев и полную гарантию сохранения их целостности и эксплуатационных характеристик.

3. Разработана микропроцессорная ИИС, реализующая созданный метод НК ТФС трехслойных изделий, позволяющая определять весь комплекс искомых ТФС с высокой для теплофизических измерений точностью. В созданной системе, 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 разработанного средства контроля и технической диагностики.

4. Проведен анализ погрешности результатов измерений по разработанному методу и реализующему его устройству на базе аналитических соотношений, полученных с использованием математических моделей измерительных процедур, объектов и условий измерений. 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 погрешностей.

5. Проведены экспериментальные исследования разработанного метода и ИИС НК ТФС трехслойных изделий, показавшие корректность основных теоретических выводов, положенных в основу разработанных метода и системы. Микропроцессорная система, реализующая предложенный метод НК ТФС трехслойных изделий внедрена в промышленное производство.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.