На правах рукописи
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
метод и реализующее его устройство бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и готовых изделий
05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
Чернышов Александр Витальевич
Тамбов 2008
Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом университете на кафедре «Криминалистика и информатизация правовой деятельности»
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Чернышов Владимир Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Беляев Павел Серафимович
кандидат технических наук, доцент
Суслин Михаил Алексеевич
Ведущая организация ОАО НИИ электроизмерительных приборов «Электромера», г. Санкт-Петербург
Защита диссертации состоится 30 октября 2008 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.01 Тамбовского государственного технического университета по адресу: г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, Большой зал.
Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю совета Д 212.260.01.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тамбовского государственного технического университета.
Автореферат разослан 30 сентября 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета А.А. Чуриков
Подписано к печати 26.09. 2008
Формат 60 84/16. 0,93 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 420
Издательско-полиграфический центр ТГТУ
392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Современный уровень развития многих отраслей промышленности требует применения не только уже известных материалов с заданными физико-химическими свойствами, но и создания и применения большого количества новых конструкционных, тепло- и хладостойких материалов, обладающих по сравнению с известными более высокими качественными свойствами и эксплуатационными характеристиками.
Сложность и большой объем экспериментальных исследований по определению качества и долговечности синтезированных материалов, а также готовых изделий, требуют как совершенствования традиционных, так и создания новых, более эффективных методов и средств контроля.
Особое место среди них занимают неразрушающие тепловые методы контроля и технической диагностики, характеризующиеся сложностью физического эксперимента, требованием детального математического описания физических процессов в контролируемых объектах измерения.
При протекании тепловых процессов в исследуемых готовых изделиях необходимо иметь информацию об их теплофизических свойствах (ТФС), т.к. эти параметры для многих изделий являются определяющими их качество и эксплуатационные характеристики. В практике определения ТФС материалов наибольшее развитие и распространение получили бесконтактные тепловые методы неразрушающего контроля (НК), которые отличаются высокой оперативностью и производительностью измерений, возможностью широкого применения в микропроцессорных системах управления технологическими процессами. Достоверность и точность результатов измерения с помощью этих методов и средств зависят от многих 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, влияния на результаты промежуточной среды между источником тепла, термоприемником и исследуемым изделием. Поэтому актуальной задачей является создание методов и средств бесконтактного неразрушающего контроля и технической диагностики, позволяющих учесть влияние данных факторов с целью повысить точность контроля искомых ТФС.
Известно, что теплофизические измерения отличаются сложностью и трудоемкостью проведения измерительного эксперимента. Поэтому наиболее целесообразно для реализации новых бесконтактных методов НК ТФС материалов и готовых изделий использовать микропроцессорную технику, так как созданные на ее базе информационно-измерительные системы (ИИС) позволяют автоматизировать процесс контроля, повысить точность и оперативность, с гарантией сохранения целостности исследуемых объектов.
Поэтому разработка микропроцессорной ИИС, реализующей метод НК ТФС материалов и готовых изделий с соответствующим алгоритмическим и программным обеспечением так же является актуальной задачей.
Цель работы - разработка и передача в промышленное использование нового бесконтактного метода и реализующей его микропроцессорной измерительной системы, позволяющих осуществлять бесконтактный НК ТФС твердых материалов и готовых изделий как при их производстве, так и эксплуатации с необходимой для теплофизических измерений точностью.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести обзор существующих методов и средств бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и готовых изделий;
- на основе математических моделей, описывающих квазистационарные тепловые процессы в исследуемых материалах при тепловом воздействии на них от подвижного точечного источника тепла, разработать и исследовать новый бесконтактный метод НК ТФС материалов и готовых изделий, обладающего высокой точностью результатов контроля и диагностики;
- разработать микропроцессорную информационно-измерительную систему, реализующую созданный бесконтактный метод НК ТФС твердых материалов и готовых изделий;
- провести метрологический анализ разработанного метода и системы НК ТФС материалов с рекомендациями повышения их метрологического уровня, а так же с обоснованием выбора типов бесконтактных источника тепла и термоприемников для разработанной ИИС;
- провести экспериментальную проверку работоспособности созданных метода и ИИС НК ТФС материалов и готовых изделий и передать их в промышленное использование.
Методы и методики исследования 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 базе Тамбовского областного отделения "Российское общество по неразрушающему контролю и технической диагностике" (РОНКТД).
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основе математической модели тепловых процессов в исследуемом объекте при бесконтактном тепловом воздействии на него от подвижного точечного источника тепла, разработан новый бесконтактный метод контроля ТФС, имеющий необходимую для технологического контроля точность, полную гарантию сохранения целостности объекта исследования. Высокая точность в разработанном методе достигается за счет определения геометрических параметров и площади области нагрева поверхности контролируемого изделия, что позволяет более точно учитывать потери тепла, вызванные конвективным и лучистым теплообменом с поверхности исследуемых объектов, а также более точного, по сравнению с другими методами, определения поправочного коэффициента, учитывающего влияние степени черноты исследуемого образца и прозрачности окружающей среды на результаты эксперимента.
Микропроцессорная ИИС, созданная на основе разработанного метода, существенно упрощает процесс измерений, реализует алгоритмические методы повышения точности на основе коррекции результатов измерения.
Проведен метрологический анализ разработанного метода и реализующей его системы на аналитической основе и даны рекомендации по повышению их метрологического уровня.
Практическая ценность работы заключается в том, что для реализации в лабораторных и производственных условиях разработанного метода бесконтактного оперативного НК ТФС твердых материалов, защищенного патентом РФ на изобретение, создана и передана в промышленное использование микропроцессорная ИИС с соответствующим алгоритмическим и программным обеспечением, позволяющая контролировать ТФС широкого класса твердых материалов и готовых изделий с необходимой для теплофизических экспериментов точностью.
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), XII-XIII научных конференциях ТГТУ (Тамбов, 2006-2008).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 6-ти печатных работах, 2-х статьях в центральных научных журналах, 3-х публикациях в региональных изданиях, 1-ом патенте на изобретение.
Структура работы
Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение и приложения, изложенные на 105 страницах машинописного текста, 21 рисунок, 11 таблиц, список литературы включает 74 наименования.
Автор благодарит кандидата технических наук, доцента Э.В. Сысоева за консультации при работе над диссертацией.
Содержание диссертации
бесконтактный неразрушающий контроль теплофизический
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показана ее связь с приоритетными направлениями науки и техники, сформулированы цели и задачи работы. Раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены результаты апробации и реализации работы.
В первой главе диссертации проведен обзор и анализ существующих методов и измерительных средств бесконтактного НК ТФС материалов и изделий. Проведенный сравнительный анализ показал, что для контроля качества материалов и готовой продукции перспективными являются бесконтактные нестационарные и квазистационарные методы и реализующие их средства, позволяющие оперативно контролировать необходимые ТФС без нарушения целостности и эксплуатационных свойств исследуемых объектов. При этом существующие методы и средства обладают рядом серьезных недостатков, главными из которых являются невысокая точность, обусловленная отсутствием учета влияния тепловых потерь с поверхности исследуемых изделий в окружающую среду, а также влиянием состояния поверхности, ее степени черноты на результаты измерений.
В результате проведенного анализа определены цели и задачи исследования.
Во второй главе представлен разработанный метод неразрушающего контроля твердых материалов и готовых изделий, сущность которого заключается в следующем.
Над исследуемым изделием 1 помещают точечный источник тепловой энергии 2 (лазер) и три термоприемника 3, 4, 5, сфокусированных на поверхность, подвергаемой тепловому воздействию (рис. 1). Перемещение термоприемников 4, 5 осуществляется по оси x, термоприемника 3 - по параллельной ей прямой А. Регулирование величины теплового воздействия на поверхность исследуемого образца осуществляется оптическим затвором 7, который осуществляет частотно-импульсную модуляцию лазерного луча.
Вначале термоприемником 4 измеряют температуру имитатора «абсолютно черного тела» (АЧТ) 6. Затем термоприемником 4 измеряют температуру исследуемого образца. В результате этого, используя отношение температуры, измеренной термоприемником на поверхности объекта, к температуре, измеренной термоприемником на имитаторе АЧТ, определяется коэффициент k, учитывающий значения степени черноты поверхности исследуемого образца и прозрачности окружающей среды, разделяющей поверхность исследуемого образца и измерительную головку.
После этого начинают воздействие источником тепловой энергии на исследуемый образец с минимальной частотой Fmin тепловых импульсов и в интервале между ними измеряют температуру термоприемником 5, сфокусированным в точку нагрева, далее, увеличивая частоту импульсов, определяют частоту Fmax, при которой избыточная температура исследуемого объекта была на 10 - 20% ниже температуры термодеструкции материала
Рис. 1 Схема расположения источника тепла и термоприемников при бесконтактном определении ТФС твердых материалов и готовых изделий
Далее включают источник энергии и оптический затвор с начальной минимальной частотой Fmin модуляции лазерного луча и начинают перемещение измерительной головки, содержащей источник тепла и термоприемники, над исследуемым изделием с постоянной скоростью V, величина которой берется такой, чтобы при выбранной частоте Fmin в точке контроля R1 появлялась избыточная температура T(R1), уровень которой выше порога чувствительности о термоприемника.
Затем постепенно увеличивают частоту F прерывания лазерного луча до тех пор, пока измеряемая в точке контроля R1 избыточная температура ТR1(Fi) станет равной заданному значению температуры Тзад, которая равна 25 - 30% от температуры термодеструкции материала.