Метод и измерительное устройство бесконтактного оперативного неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов

Развитие многих отраслей промышленности требует применения не только 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 качественными свойствами и эксплуатационными характеристиками.

Сложность и большой объем экспериментальных исследований по определению качества, долговечности и надежности синтезированных материалов, а также готовых изделий, требуют как совершенствования традиционных, так и создания новых, более 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 и производительность измерений, возможность широкого применения в автоматизированных системах управления (АСУ) технологического процесса (ТП). Достоверность и точность результатов измерения с помощью этих методов и средств зависят от многих немаловажных факторов, в частности, от выбора точек контроля избыточных температур на поверхности исследуемых объектов, от решения задач, связанных с учетом тепловых потерь в окружающую среду с поверхности контролируемых материалов и изделий и т. д. Гарантия сохранения целостности исследуемых объектов зависит от задания тепловых режимов при проведении теп-лофизического эксперимента. Поэтому актуальной задачей является создание методов и устройств, позволяющих учесть влияние данных факторов и тем самым, повысить точность контроля ТФС.

Кроме того, как известно, теплофизические измерения отличаются сложностью и трудоемкостью проведения измерительного эксперимента. Поэтому разработка новых бесконтактных методов и реализующих их устройств 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 ап-паратостроение, 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 разработка новых методов, позволяющих решать эту задачу, также является актуальной.

Цель работы. Разработка и внедрение в практику нового бесконтактного метода и реализующего его микропроцессорного устройства НК ТФС твердых материалов, позволяющего повысить оперативность и точность контроля искомых свойств.

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 исследуемом объекте при бесконтактном тепловом воздействии на него от неподвижного точечного источника тепла, которая учитывает тепловые потери, оказывающие существенное влияние на температурное поле исследуемого объекта при таком виде воздействия;

— определить диапазоны изменения основных параметров этой модели, при которых она адекватно описывает физический процесс распространения тепла в исследуемом объекте;

— разработать и исследовать на основе полученной физико-математической модели новый, более эффективный в метрологическом отношении бесконтактный метод НК ТФС твердых материалов;

— разработать микропроцессорное устройство, реализующее этот бесконтактный метод НК ТФС твердых материалов;

— провести метрологический анализ метода и устройства 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, операционном исчислении, математическом моделировании, метрологии и метрологическом эксперименте с использованием эталонных образцов материалов, а также на результатах выполнения научно-исследовательских работ на базах кафедры «Криминалистика и информатизация правовой деятельности» Тамбовского государственного технического университета, Тамбовского областного отделения «Российское общество по неразрушающему контролю и технической диагностике» (РОНКТД), 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 неподвижного точечного источника тепла, разработан новый бесконтактный метод контроля ТФС, имеющий достаточную для технологического контроля точность, большую оперативность, полную гарантию сохранения целостности объекта исследования и позволяющий значительно уменьшить влияние на результаты эксперимента состояния поверхности исследуемого объекта, ее степени черноты и происходящих с нее тепловых потерьпроведен метрологический анализ разработанного метода на аналитической основе.

Практическая ценность работы заключается в том, что для реализации в лабораторных и производственных условиях разработанного метода бесконтактного оперативного НК ТФС твердых материалов, который защищен патентом РФ на изобретение № 2 251 098, создано микропроцессорное устройство с соответствующим алгоритмическим и программным обеспечением, позволяющее контролировать ТФС широкого класса твердых материалов с высокой для теплофизических экспериментов точностью.

Реализация результатов. При непосредственном участии автора работы создано и внедрено измерительное устройство бесконтактного оперативного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов. Результаты диссертационной работы приняты к использованию в ОАО «Завод подшипников скольжения» (г. Тамбов) и ОАО «Тамбовполимермаш» (г. Тамбов).

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов, 2002), VIII научной конференции (Тамбов, 2003), Школе-семинаре молодых ученых «Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции» (Тамбов, 2003), на IX научной конференции (Тамбов,.

2004), 3-й международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2004), Всероссийской научно-технической конференции «Энергосбережение и энергоэффективные технологии — 2004» (Липецк, 2004), Пятой Международной теплофизической школе «Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством» (Тамбов, 2004).

Публикации, По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе получен патент РФ на изобретение № 2 251 098.

Структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка используемых источников, работа изложена на 125 страницах, содержит 13 рисунков, 4 таблицы и 72 наименования библиографического указателя.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Разработана математическая модель тепловых процессов в исследуемых объектах при бесконтактном тепловом воздействии на них от неподвижного точечного источника тепла, позволяющая учитывать тепловые потери с поверхности исследуемых объектов, оказывающие существенное влияние на их температурное поле при указанном виде теплового воздействия, и определена область применения этой модели.

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 разработан новый, более эффективный в метрологическом отношении метод бесконтактного оперативного НК ТФС твердых материалов, отличающийся более высокой точностью, обусловленной отсутствием в измерительной установке подвижных элементов, вносящих дополнительные погрешности в результаты измерений.

4. Проведен анализ погрешности результатов измерений по разработанным бесконтактным методам на базе аналитических соотношений, полученных с использованием математических моделей объектов измерений.

5. Для названного выше метода 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. Разработано и внедрено в производство микропроцессорное устройство, реализующее новый метод бесконтактного оперативного НК ТФС твердых материалов, позволяющее в автоматическом режиме провести теп-лофизический эксперимент, выполнить расчет искомых ТФС, внести необходимую коррекцию в результаты измерений и представить эти результаты в удобной форме.

7. Проведены экспериментальные исследования разработанного метода НК ТФС и реализующего его микропроцессорного устройства. Результаты метрологических экспериментов показали корректность и эффективность разработанного метода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.