Автореферат: Методы и средства теплофизического контроля керамических изделий электротехнического назначения

Анализ функции (рис. 4) показал, что: а) она принимает минимальные значения при различных на определенном интервале [0,1; 1,5], причем каждому соответствует своя пара оптимальных значений (, ), при которых будет обеспечен минимум погрешности и соответственно минимум и ; б) уменьшению величины способствует увеличение и уменьшение .

3. Структура измерительных устройств (выносных зондов) для реализации разработанных методов; анализ источников методических погрешностей, на основании которого определены оптимальные конструктивные и режимные параметры проведения НК ТФС малых образцов из керамических электроизоляционных материалов рассматриваемого класса

Зонд, помещаемый на плоский участок поверхности исследуемого тела, для абсолютного и сравнительного методов имеет одинаковую структуру и конструкцию, только в зонде для сравнительного метода отсутствует датчик теплового потока. В работе обосновано применение и рассмотрены теоретические основы интегратора температуры (ИТ), представляющего собой металлический термометр сопротивления (ТС), укладываемый в одной плоскости по спирали Архимеда в нагреваемом круге радиуса . Проведенный анализ средств измерения плотности теплового потока по чувствительности и быстродействию показал преимущества применения градиентного датчика теплового потока на основе анизотропного монокристалла висмута, имеющего толщину до 0,1Ч10-3 м, не зависящую от толщины постоянную времени 50 мкс и погрешность не более 1 %.

Рис. 5. Физическая модель системы из исследуемого образца и зонда конечных размеров

В результате проведения анализа влияния конечных размеров исследуемого и сравнительного тел на условие их полуограниченности по координате (рис. 5) аналитически найдена формула для оценки погрешности, вносимой конечными размерами по координате ():

,

теплофизический керамический

где - соотношение радиуса опорного цилиндра зонда и радиуса нагревателя ; - функция, полученная при решении аналогичных исходным КЗТ, но с применением интегрального преобразования Ханкеля с конечным пределом по координате r; - корни уравнения , , J0 - функция Бесселя первого рода нулевого порядка.

Как видно из рис. 6, уменьшению КРr способствует увеличение m и g. Но чтобы информация о температуре была наиболее представительной, т.е. чтобы в расчетах использовалась интегральная температура максимального участка доступной измерению поверхности, мы выбрали mопт = 3 из всех возможных целых значений (для простоты реализации), при котором будет соблюдено условие полуограниченности:

1%,

уже при 0,55, удовлетворяющем определенному во второй главе диапазону. Так как сравнительное тело имеет значительно меньшие ТФС, чем исследуемое, то при обеспечении в эксперименте 0,55, , следовательно, погрешностью , вносимой конечными размерами сравнительного тела по координате r, можно пренебречь.

Для рассматриваемого класса изделий существуют ограничения на площадь плоского участка, на который должен устанавливаться зонд, не более 2Ч10-3 м2, в связи с чем, определен радиус опорного цилиндра зонда Rз =15Ч10-3 м и радиус нагреваемого круга R = 5Ч10-3 м. Для найденного 0,55 ближайший минимум функция (19) достигает при 12.

Рис. 6. График зависимости КРr

В третьей главе проведен анализ влияния конечных размеров исследуемого и сравнительного тел на условие их полуограниченности по координате z (рис. 5). Численное моделирование температурных полей в области преобразований Лапласа показало, что на изменение температуры поверхности влияют величины и . Для каждой заданной граничной поверхности найдены допустимое время действия tд и плотность теплового потока на поверхности , которые не влияют на температуру поверхности . Результаты для исследуемых диапазонов ТФС приведены ниже.

Табл. 1

Как показали исследования, при d > 0,025 м удовлетворительными являются те же условиях, что и для d = 0,025 м, так как при tд = 42 с: а) погрешностью, вызванной инерционностью электронагревателя в первые секунды эксперимента, можно пренебречь; б) с помощью современных измерительно-вычислительных средств выполняется более 100 измерений за общее время эксперимента; в) общее время эксперимента tк для всего рассматриваемого диапазона ТФС не превышает 400 с.

4. Техническое, алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированной системы контроля (АСК) комплекса ТФС, реализующей разработанные методы

В состав АСК входят (рис. 7): измерительно-вычислительный комплекс (ИВК), включающий в себя персональный компьютер (при использовании в лабораторных условиях) или программируемое микропроцессорное измерительно-вычислительное устройство (ИВУ) (при использовании в производственных условиях), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП); блок согласования измерительного устройства с ИВК (БСИУ); измерительное устройство - выносной зонд; периферийные устройства.

Конструктивно зонд (рис. 8) состоит из двух основных блоков: металлического полого цилиндрического корпуса 1 и опорного цилиндра 2, выполненного из полиметилметакрилата. На нижнем основании опорного цилиндра закреплены при реализации: а) абсолютного метода - датчик теплового потока 3, электронагреватель 4 и датчик - ИТ 5; б) сравнительного метода - электронагреватель 4 и ИТ 5. Соединительные провода интегратора 5 подведены к трем катушкам 6, представляющим собой три плеча измерительного неуравновешенного моста. На верхнем основании опорного цилиндра 2 закреплена винтами опорная металлическая втулка 7 для металлического полого стержня 8, который в совокупности с амортизатором 9, расположенной в нем пружиной 10 создает необходимое усилие зонда на образец, т.е. стабильное контактное термическое сопротивление.

Рис. 7. Структурная схема АСК комплекса ТФС

Рис. 8. Конструкция измерительного зонда

Разработанный адаптивный алгоритм работы АСК ТФС заключается в следующем:

1) Перед началом эксперимента оператор вводит высоту цилиндрического однородного объема, ограниченного нагреваемым кругом поверхности исследуемого образца (величину d), и АСК автоматически задает соответствующую мощность электронагревателя и время его действия.

2) Во время всего эксперимента производится измерение ПИХ температуры нагреваемого круга , а измерение плотности теплового потока (в случае абсолютного метода) или мощности нагревателя Qд (в случае сравнительного метода) в момент времени , после чего подача напряжения на нагреватель прекращается.

3) По окончании эксперимента (после остывания нагреваемой поверхности до температуры менее порога чувствительности измерительного средства) автоматически производится расчет ВИХ среднеинтегральной температуры нагреваемого круга по квадратурной формуле Симпсона.

4) Для того чтобы обеспечить оптимальное значение параметра = 0,55, автоматически рассчитываются ВИХ температуры при различных р из диапазона [0,0066; 0,026], соответствующего диапазону возможных значений а = (0,3…1,2)Ч10-6 м2/с, пока не будет найдено ропт для искомых ТФС, которое даст из уравнения НК (14) или (15) = 0,55.

5. Анализ источников систематических погрешностей результата измерения ТФС разработанными методами и устройствами

Получены выражения для оценки основных составляющих систематических методических и инструментальных погрешностей определения ТФС. Проведенный анализ влияния на результат определения ТФС контактных термических сопротивлений (КТС) позволил получить расчетные зависимости, учитывающие наличие КТС, что снижает суммарную методическую погрешность.

В результате исследований теоретически определены: 1) погрешность НК температуропроводности: для абсолютного метода - 7,1 %, для сравнительного метода - 8,3 %; 2) погрешность НК теплопроводности: для абсолютного метода - 5,2 %; для сравнительного метода - 6,4 %;

По результатам экспериментальной проверки на образцах из материалов с известными ТФС получены оценки погрешности измерений, которые подтвердили правильность теоретических исследований.

В приложениях приведены: сравнительный анализ теплофизического эксперимента при непрерывном и дискретном во времени тепловом воздействии; методика экспериментального определения КТС и результаты ее применения; результаты экспериментальных исследований АСК ТФС; листинг программы работы АСК; акты о внедрении результатов работы.

Заключение

1. На основании литературного обзора методов и средств теплофизических измерений и анализа производства керамических изделий электротехнического назначения сформулированы требования к методам и устройствам НК их ТФС; разработаны новый абсолютный и сравнительный методы, основанные на дискретном тепловом воздействии, что позволяет сократить длительность рабочей стадии эксперимента в 1,5 - 2 раза по сравнению с существующими методами при одновременном повышении точности.

2. Разработана методика определения оптимальных конструктивных параметров измерительных устройств и режимных параметров теплофизического эксперимента для заданных размеров исследуемых образцов, обеспечивающих минимальную погрешность НК комплекса ТФС.

3. Спроектированы и изготовлены измерительные устройства и АСК, позволяющие реализовать предложенные методы.

4. Проведен анализ возможных источников погрешностей измерения ТФС, предложен способ учета КТС. Выполнена экспериментальная проверка, показавшая эффективность применения разработанных методов и устройств НК ТФС керамических изделий электротехнического назначения.

5. Измерены ТФС стеатитовых керамических материалов на разных стадиях их производства. Результаты исследований приняты к использованию в ОАО «ТЗ "Ревтруд"», а также в учебном процессе ТГТУ.

Литература

1. Антонова, Л.Л. Совершенствование методов неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов / Л.Л. Антонова, А.А. Чуриков // IX научная конференция ТГТУ: пленарные докл. и краткие тез. - Тамбов, 2004. - С. 99.

2. Антонова, Л.Л. Совершенствование методов неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов / Л.Л. Антонова, А.А. Чуриков // Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством: материалы пятой международной теплофизической школы. - Тамбов, 2004. - С. 137 - 139.

3. Антонова, Л.Л. Теоретические основы экспресс-методов неразрушающего теплофизического контроля керамических материалов / Л.Л. Антонова // Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством: материалы пятой международной теплофизической школы. - Тамбов, 2004. - С. 135 - 137.

4. Антонова, Л.Л. Теплофизический контроль качества керамических элементов радиотехнического и электротехнического назначения / Л.Л. Антонова, А.А. Чуриков // Наука на рубеже тысячелетий: сборник научных статей по материалам междунар. конф. - Тамбов, 2004. - С. 253 - 254.

5. Антонова, Л.Л. Теплофизический контроль качества керамических элементов радиотехнического и электротехнического назначения / Л.Л. Антонова, А.А. Чуриков // Состояние и проблемы измерений: сборник 9-й Всероссийской науч.-техн. конф. - М., 2004. - С. 175 - 176.

6. Антонова, Л.Л. Повышение точности экспресс-методов измерения теплофизических свойств твердых веществ / Л.Л. Антонова, А.А. Чури-ков // Прогрессивные технологии развития: сборник научных статей по материалам междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов, 2004. - С. 141 - 145.

7. Антонова, Л.Л. Метод неразрушающего теплофизического контроля керамических электроизоляционных изделий / Л.Л. Антонова, А.А. Чуриков // Труды ТГТУ: сборник научных статей молодых ученых и студентов. - Тамбов, 2005. - С. 65 - 68.

8. Антонова, Л.Л. Неразрушающий теплофизический контроль в производстве керамических электроизоляционных изделий / Л.Л. Антонова, А.А. Чуриков // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Т. 1: Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности: сб. тр. Первой международной науч.-практ. конф. - СПб.: Изд-во политехн. ун-та, 2005. - С. 94 - 95.

9. Антонова, Л.Л. Математическая модель метода теплофизического контроля керамических электроизоляционных изделий / Л.Л. Антонова, А.А. Чуриков // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-18: сб. тр. XVIII Междунар. науч. конф. В 10 т. Т. 4. Секции 4, 9. - Казань: изд-во Казанского гос. технол. ун-та, 2005. - С. 133 - 136.