Метод и измерительная система теплофизического контроля Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620.179

B.C. Кох-Татаренко, С. С. Никулин, Н. П. Жуков *, А.И. Кочетков ** Тамбовский государственный технический университет, Тамбов, Россия 392620, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106.

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125190, Москва, Миусская площадь, д. 9 * e-mail: [email protected] ** e-mail: [email protected]

МЕТОД И ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Тепловые методы неразрушающего контроля (НК) и диагностики позволяют определять качество исследуемых материалов и изделий по их теплофизическим характеристикам (ТФХ) и обладают высокой оперативностью и информативностью, широкими функциональными возможностями. Наиболее сложной и важной задачей при создании нового теплового метода неразрушающего контроля является разработка физико-математических моделей, адекватно описывающих теплофизические процессы в объектах контроля. В данной работе даны описания неразрушающего метода теплофизического контроля и реализующей его измерительной системы (ИС).

Ключевые слова: методы неразрушающего контроля, теплофизические процессы.

АЦП Микропроцессор

ИС включает в себя сменные измерительные зонды (ИЗ), блок усилителей, измерительно-вычислительное устройство (ИВУ), персональный компьютер (ПК) и периферийные устройства (рис. 1). ИЗ состоит из круглого плоского нагревателя (Н) постоянной мощности, встроенного в подложку зонда, и трех термоэлектрических преобразователей (ТП). В состав ИВУ входят: аналого-цифровой преобразователь (АЦП); микропроцессор на базе 16-битного микроконтроллера с тактовой частотой 11 МГц; блок стабилизированного питания (БП); устройства ввода-вывода информации, набор цифровых, аналоговых и релейных портов и т.д. В качестве ПК используется 1ВМ-совместимый компьютер.

Принцип работы ИС. Тепловое воздействие на исследуемое тело с равномерным начальным температурным распределением осуществляется с помощью нагревателя, выполненного в виде тонкого диска радиусом Я. Начальное температурное распределение контролируется тремя термопарами -в центре нагревателя и на расстояниях г1 и г2 от центра. Сигнал с ИЗ поступает на АЦП ИВУ и затем в микропроцессор, где обрабатывается по определенной программе. В процессе проведения эксперимента регистрируются термограммы, т. е. зависимости избыточной температуры Т (или температуры изделия 7*) от времени. Конструкцией и программным обеспечением ИС предусмотрены возможности фиксировать термограммы как на стадии нагрева, так и на стадии остывания после отключения нагревателя.

Интерфейс

Блок усилителей

|Ш||Н|ЩЩ

С

БП

П К

ИВУ

из

Образец

Рис. 1. Структурная схема ИС

На каждой термограмме, зафиксированной при нагреве и остывании, можно выделить несколько участ-ков, соответствующих различным состояниям температурного поля. Так, для термограммы, зафиксированной центральной ТП при исследованиях на политетрафторэтилене (ПТФЭ), характерны семь участков (рис. 2).

Первому участку термограммы соответствует одномерное температурное поле в исследуемом изделии. Тепловые потоки, поступающие в изделие и ИЗ, изменяются во времени, так как между нагревателем и образцом имеется термическое сопротивление и нагреватель обладает инерционностью. Второму участку термограммы отвечает одномерное температурное поле в изделии, но процесс проходит стадию регуляризации. Третьему участку термограммы соответствует двухмерное температурное поле в изделии, поскольку нельзя пренебречь распространением тепла в радиальном направлении. Четвертому участку термограммы соответствует тепловой процесс, вышедший на стадию регуляризации. В исследуемом изделии формируется

полусферическое одномерное температурное поле. На пятом участке нарушаются условия полуограниченности исследуемого тела.

После отключения нагревателя, можно выделить шестой участок термограммы, тепловой процесс в котором проходит стадию регуляризации, и седьмой участок, где тепловой процесс изменяется.

I II ш IV

V

VI VII

Т*,°С 47 42 37 32 27 22

0 300 600 900 1200 Т, с

Рис. 2. Экспериментальная термограмма для изделия из ПТФЭ

Участки II, IV и VI - рабочие, так как возможно однозначно определить значения ТФХ в зависимости от параметров аналитических моделей, описывающих термограмму на данных температурно-временных интервалах, используя

регулярные тепловые режимы на моделях плоского и сферического полупространств [1, 2]. Расчетное выражение, описывающее термограмму на участке II и отвечающее одномерному температурному полю в стадии регуляризации:

2дТг дсн

Т = ■

(1)

(8 + 8')^ (8 + 8')2 '

где д - тепловой поток, Вт/м2; т - время, с; сн -теплоемкость нагревателя, Дж/(кг-К-м2); е, е' -тепловые активности исследуемого материала и материала подложки зонда, (Вт-с0'5)/(м2-К).

Расчетное выражение, описывающее термограмму на участке IV:

Т = -

дЯ2 (г - Я) дЯ3 (е + е')

4^4аг(х+х') ^г(Х + Х')2

1

(2)

где X, X' - теплопроводности исследуемого материала и материала подложки зонда, Вт/(м-К). Расчетное выражение для участка VI:

э3/ , „А , ^

Т = дЯ (е + е') Иг-Я)(Х + Х') ^

гу/^(Х + Х')2 [ 7аЯ(е + е')

1

-г- (3)

При г = Я: Т =

(е + е') дЯ2

Таблица 1. Найденные ТФХ для каждого из рассмотренных вариантов

№ Теплофизические характеристики

е, Ч Ьэ,

1 730,1 0,289 0,257 0,257 0,272

2 653,9 0,264 0,273 0,260 0,270

3 688,0 0,285 0,262 0,258 0,273

4 697,3 0,272 0,263 0,266 0,271

5 655,2 0,293 0,259 0,264 0,276

6 748,5 0,274 0,275 0,281 0,281

7 738,4 0,288 0,261 0,259 0,274

8 744,3 0,269 0,268 0,275 0,276

9 683,8 0,284 0,259 0,258 0,271

10 720,0 0,277 0,274 0,270 0,278

Определение значений тепловой активности е и теплопроводности X материалов по моделям, описывающим термограмму на участках II, IV и VI, детально изложено в работе [1].

В таблице 1 приведены результаты определения ТФХ ПТФЭ в десяти опытах по трем термограммам, снятым при помощи ИС, снабженной зондом с круглым нагревателем постоянной мощности, на стадии нагрева. Условия опыта: радиус нагревателя 4 мм; мощность на нагревателе 1,01 Вт; временной

шаг измерения температуры 0,5 с; начальная температура экспериментов изменялась в диапазоне 14 - 20 °С. Для определения ТФХ использовали образец в виде диска из ПТФЭ со степенью кристалличности 60 %. Геометрические размеры образца: диаметр - 100 мм; толщина - 25 мм.

Сравнение полученных результатов со справочными данными показало, что относительная погрешность определения е и X на стадии нагрева не превышает 8 %, что хорошо согласуется с

результатами оценки случайных и систематических погрешностей многомодельного метода определения ТФХ с учетом полученных аналитических условий, определяющих границы надёжного их определения и рекомендаций для снижения случайных погрешностей за счет выбора режимных и конструктивных характеристик ИС [2, 3].

Следует отметить возможность данного метода НК регистрировать структурные переходы в полимерах, сопровождающиеся тепловыми эффектами, и не учитывать их влияние на результат определения значений ТФХ, что также повышает точность [4].

Кох-Татаренко Вадим Станиславович, студент 4 курса Тамбовского государственного технического университета, Россия, Тамбов.

Никулин Сергей Сергеевич, к.т.н., старший преподаватель кафедры «Энергообеспечение предприятий и теплотехника» Тамбовского государственного технического университета, Россия, Тамбов.

Жуков Николай Павлович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Энергообеспечение предприятий и теплотехника» Тамбовского государственного технического университета, Россия, Тамбов.

Кочетков Александр Иванович, аспирант кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва

Литература

1. Многомодельные методы и средства неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и изделий / Н.П. Жуков, Н.Ф. Майникова. - Москва, 2004. - 320 с.

2. Estimation of systematic errors of the multimodel method for nondestructive determination of the termophysical properties of solid materials / Zhukov N.P., Mainikova N.F., Rogov I.V., Antonov A. O. //Journal of Engineering Physics and Thermophysics. - 2014, T 87, №4. - C. 880- 887.

3. Evaluation of random errors of the multimodel method of nondestructive determination of the termophysical properties of solid materials / Zhukov N.P., Mainikova N.F., Rogov I.V., Antonov A. O. //Journal of Engineering Physics and Thermophysics. - 2014, T 87. - №6. - C. 1398. - 1406.

4. Майникова, Н.Ф. Измерительная система и метод неразрушающего контроля структурных превращений в полимерных материалах / Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2006, №1. - С. 56 - 61.

Koch- Tatarenko Vadim Stanislavovich, Nikulin Sergej Sergeevich, ZhukovNikolajPavlovich*, Kochetkov Alexander Ivanovich**

Tambov state technical University, Tambov, Russia

D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia * e-mail: [email protected] ** e-mail: [email protected]

METHOD AND MEASURING SYSTEM FOR THERMAL CONTROL Abstract

Thermal method of nondestructive testing and diagnostics can determine the quality of the test materials and products according to their thermophysical characteristics and have high efficiency and information content, greater functionality. The most difficult and important task when creating a new thermal method of nondestructive testing is to develop physical and mathematical models adequately describing thermal processes in the objects of control. In this paper descriptions are given of non-destructive thermal control method and implements its measuring system.

Key words: non-destructive testing method, thermal processe.