Методы и система бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов и изделий

Развитие многих отраслей промышленности требует не только применения уже известных материалов с заданными физико-химическими свойствами, но и создания и применения большого количества новых конструкционных, электроизоляционных, теплои хладостойких материалов, обладающих по сравнению с известными более высокими свойствами и эксплуатационными характеристиками. Сложность и большой объем экспериментальных исследований по определению качества, долговечности и надежности синтезированных материалов, а также готовых изделий, требует как совершенствования традиционных, так и создания новых эффективных методов и средств контроля.

Актуальность работы.

В случаях, когда применение изделий связано с протеканием в них тепловых процессов, необходимо иметь информацию о их теплофизических свойствах (ТФС), т.к. они являются параметрами, определяющими качество готового изделия. В практике определения ТФС материалов наибольшее развитие и распространение получили тепловые методы неразрушающего контроля (НК), характеризующиеся оперативностью и экономичностью. Когда применение контактных методов контроля ТФС затруднено, либо невозможно, то наиболее целесообразно использовать бесконтактные методы оперативного НК, отличительной особенностью которых является высокая оперативность измерений, перспективы применения в самых различных технологических процессах для контроля качества движущихся или вращающихся объектов, возможность широкого применения в автоматизированных системах управления технологических процессов. Однако достоверность и точность результатов измерения при применении этих методов и средств зависят от выбора точек контроля избыточных температур на поверхности исследуемых объектов в процессе проведения температурно-пространственных измерений и от решения задач, связанных с учетом тепловых потерь в окружающую среду с поверхности контролируемых материалов и изделий, а гарантия сохранения целостности зависит от задания тепловых режимов при проведении теплофизического эксперимента. Поэтому актуальной задачей является создание методов и средств, позволяющих учесть тепловые потери в окружающую среду с поверхности контролируемых материалов и, тем самым, повысить точность контроля.

Кроме того, как известно, теплофизические измерения отличаются сложностью и трудоемкостью проведения измерительного эксперимента. Поэтому разработка новых бесконтактных методов и реализующих их систем на базе микропроцессорной техники, позволяющих автоматизировать процесс контроля, повысить точность, оперативность, гарантирующих сохранение целостности исследуемых объектов, является актуальной задачей.

Надежность, работоспособность, а в итоге качество готовых изделий в наиболее ответственных отраслях техники (ракетостроение, космическое аппаратостроение, атомная энергетика и т. д.) зависят от теплофизических параметров, так как здесь тепловые режимы в объектах контроля строго регламентируются и получение оперативной информации о теплозащитных параметрах становится уже необходимым условием применения и эксплуатации этих изделий. Поэтому актуальность разработки новых методов, позволяющих решать эту задачу, также не вызывает сомнений.

Связь с государственными программами и НИР.

Диссертационная работа выполнялась в рамках реализации следующих государственных программ: межвузовская научно-техническая программа Госкомобразования РСФСР «Неразрушающий контроль и диагностика», раздел 4: «Оптические, радиоволновые и тепловые методы неразрушаю-щего 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» .

Цель работы.

Разработка, исследование и внедрение в практику новых бесконтактных методов и реализующей их микропроцессорной системы НК ТФС твердых материалов, позволяющих повысить оперативность и точность контроля ТФС.

Основные задачи работы.

Для достижения поставленной цели необходимо:

— провести литературный обзор существующих методов и средств бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств;

— разработать математическую модель тепловых процессов в исследуемых объектах при бесконтактном тепловом воздействии на них от подвижного точечного источника тепла, учитывающую тепловые потери, оказывающие существенное влияние на температурное поле исследуемых объектов при указанном виде теплового воздействия;

— определить область применения разработанной модели и дать рекомендации по выбору диапазонов и соотношений основных ее параметров, при которых модель адекватна физике тепловых процессов в исследуемых объектах;

— разработать и исследовать на основе полученной физико-математической модели новые, более эффективные в метрологическом отношении бесконтактные методы контроля ТФС твердых материалов без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик;

— разработать микропроцессорную систему, реализующую эти бесконтактные методы контроля ТФС твердых материалов;

— провести метрологический анализ методов и системы НК ТФС твердых материалов;

— осуществить экспериментальную проверку результатов работы и внедрить их в промышленное производство.

Методы и методики исследования.

Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на аналитической теории теплопроводности, математической физике, математическом моделировании, метрологии и метрологическом эксперименте с использованием эталонных образцов материалов, а также на результатах выполнения научно-исследовательских работ на базах межвузовской лаборатории «Теплофизические измерения и приборы», Тамбовского областного отделения «Российское общество по неразрушающему контролю и технической диагностике» (РОНКТД) при Тамбовском государственном техническом университете, а также ряда промышленных и научно-исследовательских организаций.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основе разработанной математической модели тепловых процессов в исследуемом объекте при бесконтактном тепловом воздействии на него от подвижного точечного источника тепла разработаны новые бесконтактные методы контроля ТФС, имеющие достаточную для технологического контроля точность, большую оперативность, полную гарантию сохранения целостности объекта исследования и позволяющие существенно уменьшить влияние на результаты измерений состояния поверхности исследуемого объекта, степени ее черноты и тепловых потерь с поверхности, имеющих место при бесконтактном тепловом воздействии от подвижного источникапроведен метрологический анализ разработанных методов на аналитической основе.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе разработанных методов бесконтактного НК ТФС материалов и изделий создана и внедрена в производство микропроцессорная система с соответствующим алгоритмическим, программным и метрологическим обеспечением, позволяющая оперативно и с высокой для теплофизических измерений точностью контролировать ТФС широкого класса материалов и готовых изделий как в лабораторных, так и промышленных условиях.

Реализация результатов работы заключается в создании и внедрении при непосредственном участии автора измерительной системы бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и изделий. Результаты диссертационной работы приняты к использованию в ОАО «Тамбоврезиноасботехника» (г. Тамбов, 1999 г.) и ООО «ТАМАК» (г. Тамбов, 1999 г.).

Апробация работы.

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на ХУ-ой Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (г. Москва, 1999 г.), на Ш-ей Международной теплофизической школе «Новое в теплофизических свойствах» (г. Тамбов, 1998 г.), на 1У-ой и У-ой научных конференциях ТГТУ (г. Тамбов, 1999, 2000 гг.), на международной научно-технической конференции «Проектирование и эксплуатация электронных средств», (г. Казань-Таганрог, 2000 г.), на международной научно-технической конференции «Информационные технологии в проектировании микропроцессорных систем» ИТ ПМПС-2000 (г. Тамбов, 2000 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, на один из разработанных методов бесконтактного НК ТФС материалов и изделий получено положительное решение о выдаче патента РФ на изобретения, два других метода проходят экспертизу на выдачу патента РФ.

Личный вклад автора.

Во всех работах, опубликованных в соавторстве, при непосредственном участии автора были разработаны основные идеи методов, получены аналитические выражения и теоретические результаты, предложено математическое обеспечение алгоритмов измерения и структур аппаратных средств, проведены теплофизические эксперименты и осуществлено доказательство достоверности полученных результатов и эффективности использования предложенных методов и микропроцессорной системы.

Структура работы.

Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение и приложение, изложенные на 155 страницах машинописного текста, 13 рисунках и 30 таблицах.

Список литературы

включает 75 наименований.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Разработана математическая модель тепловых процессов в исследуемых объектах при бесконтактном тепловом воздействии на них от подвижного точечного источника тепла, учитывающая тепловые потери, оказывающие существенное влияние на температурное поле в исследуемых объектов при указанном виде теплового воздействия.

2. Определена область применения разработанной модели и даны рекомендации по выбору диапазонов и соотношений основных ее параметров, при которых модель адекватна физике тепловых процессов в исследуемых объектах.

3. На основе полученной физико-математической модели разработаны новые, более эффективные в метрологическом отношении оперативные бесконтактные методы контроля ТФС твердых материалов без нарушения их целостности, а именно:

— метод бесконтактного оперативного НК ТФС материалов и готовых изделий, отличающийся высокой производительностью измерений и точностью, обусловленной существенным уменьшением влияния на результаты измерений тепловых потерь с поверхности исследуемых объектов в окружающую среду;

— бесконтактный адаптивный метод НК ТФС материалов, имеющий высокую точность и полную гарантию сохранения целостности и эксплуатационных характеристик исследуемых объектов в условиях ограниченной априорной информации об их свойствах;

— метод бесконтактного НК ТФС с коррекцией влияния степени черноты исследуемых материалов на результаты измерений, позволяющей повысить точность контроля и расширить функциональные возможности предложенного метода по диапазонам и классам исследуемых материалов.

4. Проведен анализ погрешности результатов измерений по разработанным бесконтактным 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.

5. Проведена оценка метрологической надежности наиболее ответственных блоков системы НК ТФС. Проведено прогнозирование изменения во времени метрологических характеристик двух типовых вариантов этих блоков, что позволило выбрать из них наиболее надежный в метрологическом отношении, обладающий повышенным метрологическим ресурсом. Проведена оценка влияния каждого электрорадиоэлемента в этом блоке системы на их метрологический ресурс и выявлены наиболее ненадежные в метрологическом отношении элементы. Произведена замена их на электрорадиоэлементы с более стабильными метрологическими характеристиками, которая позволила повысить метрологический ресурс всей разработанной системы НК ТФС в среднем на 30−40%.

6. Разработана и внедрена в производство микропроцессорная система, реализующая новые методы бесконтактного неразрушающего контроля ТФС твердых материалов, позволяющая в автоматическом режиме провести теплофизический эксперимент, выполнить расчет искомых ТФС, внести необходимую коррекцию в результаты измерений и представить эти результаты в удобной форме.

7. Проведены экспериментальные исследования разработанных методов НК ТФС и реализующей их микропроцессорной системы. Результаты метрологических экспериментов показали корректность и эффективность разработанных методов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.