CC BY
61
УДК 681.2:536.6
ОБ ОДНОМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОМ ОПЕРАТИВНОМ МЕТОДЕ
НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ю.Л. Муромцев, З.М. Селиванова
Кафедра «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем», ТГТУ
Ключевые слова и фразы: интеллектуальная информационно-измерительная система; интеллектуальный метод; интеллектуальный измерительный зонд; исследуемый объект; теплофизические свойства; термограмма.
Аннотация: Разработан интеллектуальный метод неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов. Предлагаемый метод, по сравнению с другими методами, позволяет повысить оперативность контроля теплофизических свойств в результате определения оптимального количества тепловых импульсов, подаваемых на исследуемый объект, до достижения установившегося теплового режима в области контакта исследуемого объекта и измерительного зонда.
Обозначения
а - коэффициент температуропроводности,
м2/с;
О - дестабилизирующие факторы;
Е - частота тепловых импульсов, Гц;
(2 - мощность теплового воздействия, Вт;
Тг - температура, определяемая при подаче г-го теплового импульса, °С; а - показатель достижения установившегося теплового режима;
- разница температур сравнения, °С;
Ат - интервал времени между тепловыми импульсами, с;
1 - коэффициент теплопроводности,
Вт/(м-К); т - время, с;
Туст - время достижения установившегося теплового режима, с.
ср
Оперативный неразрушающий контроль (НК) теплофизических свойств материалов (ТФСМ) необходим на производстве как на стадии технологического процесса изготовления материалов, так и для контроля теплофизических свойств (ТФС) готовых изделий. Одним из путей повышения оперативности определения ТФС является применение методов искусственного интеллекта в информационноизмерительной системе (ИИС) НК ТФСМ [1] .
В известных методах, используемых информационно-измерительными системами НК ТФСМ, тепловое воздействие наносится в виде импульсов с заданной длительностью и скважностью. Количество тепловых импульсов определяется моментом достижения установившегося теплового режима в объекте с наименьшей теплопроводностью из числа исследуемых материалов, теплопроводность которых соответствует определяемому диапазону теплопроводности ИИС [2, 3]. В результате для исследуемых объектов (ИО) с большей теплопроводностью время достижения установившегося теплового режима будет значительно меньше, и не реализуются резервы повышения оперативности работы ИИС.
Зависимость точности и оперативности от времени достижения установившегося теплового режима можно охарактеризовать следующими показателями: потерями точности Пт и потерями оперативности Поп. Функциональные зависи-
мости этих потерь от туст должны учитывать применяемый метод НК ТФСМ и
влияние дестабилизирующих факторов, т.е.
Пт = / (М, Туст , В), Поп = /оп (М, Туст ) , (1)
где М - используемый в ИИС метод НК ТФСМ.
Графическое представление вышеуказанных функций для метода, рассмотренного в [3], и исследуемого материала - бетона, приведено соответственно на рис. 1 и 2 для усредненных значений 1. Аналогичные зависимости имеют место для других методов и материалов при определении их теплопроводности в лабораторных условиях.
Рис. 1 График зависимости
П = / (М, туст, Б)
Рис. 2 График зависимости
Поп = /оп (М, ^уст )
Т аким образом, для каждого метода существует некоторое значение Туст,
при котором общие потери минимальны. Для определения оптимального значения Туст введем функционал, комплексно учитывающий потери точности и оперативности, т. е.
J(Туст ) = [СП (M, хуСт, D) + С2Поп (M, хуСт )] ® min
уСт
уст-'
Туст, M
(2)
где С1, С2 - весовые коэффициенты.
Изменение функционала 3 = /(Туст) при С1 = С2 = 1 для зависимостей потерь, приведенных на рис. 1, 2, показано на рис. 3, оптимальное время достижения установившегося теплового режима в данном случае равно 80 с.
3
Поп , %% 50
Пт, %
50 Туст 100
Рис. 3 Зависимость J = f (т уСт )
С
На рис. 4 представлены термограммы ИО с различными значениями 1: ри-пора, пенопласта, минераловатной плиты, войлока, линолеума, бетона, полиме-тилметакрилата (ПММ), ТФСМ которых определяются с использованием ИИС при мощности теплового воздействия 2,5 Вт.
Анализ приведенных термограмм показывает, что время Туст достижения
установившегося теплового режима существенно зависит от теплопроводности исследуемых объектов, и тем больше, чем меньше теплопроводность материала. Так, для рипора (ТусХр » 140 с) это время почти в 2 раза превышает Туст для бетона (б » 80 с). Отсюда следует, что при работе с ИО данного класса нецелесообразно в ИИС задавать одно фиксированное время Тустр »140 с (это соответствует подаче ир тепловых импульсов). Время Туст должно выбираться с учетом 1 конкретного материала (рис. 5).
Рис. 4 Термограммы исследуемых материалов
Рис. 5 Зависимость времени достижения установившегося теплового режима от теплопроводности ИО
Данные обстоятельства учитываются в разработанной интеллектуальной ИИС для повышения оперативности контроля при обеспечении требуемой точности результатов.
В базе знаний (БЗ) интеллектуальной ИИС содержатся:
- зависимости функций потерь вида (1) для различных методов и материалов;
- формулы расчета оптимального времени Т*^ в зависимости от выбранных
весовых коэффициентов (2);
- зависимость Туст от 1 при использовании различных методов;
- рекомендуемые значения показателя установившегося теплового режима а для различных материалов (теплопроводностей).
Предлагаемый интеллектуальный метод позволяет определить с использованием сведений, содержащихся в базе данных, оптимальное количество тепловых импульсов п*, подаваемых на ИО до достижения установившегося теплового режима в области контакта исследуемого объекта и интеллектуального измерительного зонда.
Оптимальное число тепловых импульсов п* в зависимости от измерительной ситуации определяется одним из следующих способов. При первом способе значение теплопроводности ИО известно с достаточной мерой доверия и п* определяется по зависимости, приведенной на рис. 5, по величине Туст .
Для этого используется формула
ТуСт = Ти п* + Ат(п*-1)
или
* Туст + Ат п = уст А , (3)
Ти +Ат
здесь Ти - длительность импульсов.
Измерительная процедура первого способа заключается в следующем. По предварительной тестовой термограмме на первом этапе измерения ТФСМ регистрируют 1 ИО и по графику Туст = /(1) фиксируют Туст . Затем по формуле (3)
определяют число тепловых импульсов, которое надо подать на ИО до наступления установившегося теплового режима.
Термограммы, приведенные на рис. 4, получены при длительности импульсов ти = 0,6 с и Ат = 5 с. В этом случае, например, для рипора согласно формуле (3)
* Туст + 5 140 + 5
п = —--------=-------= 26 ,
5.6 5,6
для линолеума
* Туст + 5 100 + 5
п = —--------=-------= 19.
5.6 5,6
Таким образом, число подаваемых тепловых импульсов при измерении ТФС линолеума, по сравнению с числом импульсов для рипора, сократилось с 26 до 19 (соответственно время - со 140 до 100 с), т.е. оперативность определения ТФС увеличилась на 30 % при сохранении точности.
Во втором способе для материалов с неизвестными значениями 1 установившийся тепловой режим определяют в результате сравнения температур после подачи (/ - 1)-го и /'-го импульсов снимаемой термограммы в процессе измерения
ТФСМ по разности средненинтегральных температур, измеряемых двумя термобатареями (ТБ т, т = 1, 2). Эта разность оценивается по формуле
1 m 2
1 m 2
А?Ср (/■) = Tt - Ti-1 = — L L T>J (ТБт) -^ L L T-1, j №)
j=1 m=1
2m
(4)
j =1 m=1
где Ttj (ТБт) =
QF
'V 1
L vexp
f X2 Л
xj тБт
4aAxv
Xj ТБ m - расстояние от нагревателя до
у-го термодатчика |т-ой термобатареи.
Тепловой режим считается установившимся, когда разность АТср (/ = п) будет меньше некоторого задаваемого числа а. От величины а зависит погрешность измерения ТФСМ. Значение а устанавливается экспериментальным путем. Для приведенных на рис. 4 термограмм определена зависимость а = /(1), полученная из условия обеспечения погрешности при измерении 1 не более 5 % (рис. 6). Из данного графика следует, что чем больше теплопроводность, тем меньше должно быть а.
В ходе реальных измерений для определения а при возможных воздействиях дестабилизирующих факторов решается задача идентификации измерительной ситуации с использованием аппарата нечеткой логики. Применение искусственного интеллекта в предлагаемом методе позволяет выбрать а из интервала [0,1; 2] °С и обеспечить определение 1 с прогнозируемой погрешностью до 5 %. Выполнение неравенства АТср (п) < а свидетельствует об установившемся тепловом режиме в плоскости контакта ИО и ИИЗ и прекращении подачи тепловых импульсов.
Измерительная процедура во втором способе заключается в подаче тепловых импульсов заданной частоты и мощности на ИО, сравнении в процессе измерения
Т/-1 и Т/ и контроле выполнения неравенства АТср (/) < а .
Перед проведением очередного измерения термозонд помещается на вспомогательный образец из материала, близкого по теплофизическим свойствам к материалу подложки термозонда. Тепловое равновесие в системе «Термозонд - ИО», характеризующееся температурой усреднения, наступает за разные промежутки времени Туср в зависимости от теплопроводности материала подложки термозонда. В предлагаемом методе на основе полученных экспериментальных и аппроксимирующих зависимостей времени достижения теплового равновесия Туср
от X для теплоизоляционных и строительных материалов, которые приведены на рис. 7, применяется интеллектуальная процедура, позволяющая выбрать оптимальное
X
УсР
из заданного диапазона
50___150 с для материала подложки,
указанного в априорной информации, занесенной в БЗ.
Рис. 6 График зависимости a = f (l)
*
tycp = F(1) = 43,23970581 0,3007354
Таблица 1
Теплофизические свойства, параметры теплофизических измерений
* * * *.
( туст , хуср , а , п ) и погрешности измерения теплоизоляционных и строительных материалов
Исследуемые материалы Эталонные значения Измеренные значения * t уст > с * t ТсР ’ с * n * a , °С Относительная погрешность измерения
а-10-7, м2/с 1, Вт/(м-К) а 10-7, м2/с 1, Вт/(м-К) За, % §1, %
Рипор 4,61 0,028 4,78 0,029 140 130 26 2,00 3,69 3,57
Пенопласт 5,12 0,034 5,33 0,035 130 120 24 1,81 4,10 2,94
Минвата 3,74 0,052 3,92 0,054 120 105 22 1,33 4,81 3,85
Войлок 3,98 0,07 4,15 0,073 110 95 20 1,08 4,27 4,28
Линолеум 5,17 0,08 5,43 0,084 100 90 19 0,94 5,00 5,00
ПММ 1,09 0,195 1,14 0,202 90 70 17 0,42 4,59 3,59
Бетон 1,22 0,32 1,27 0,33 80 65 15 0,28 4,10 3,12
Результаты экспериментальных исследований по определению теплофизических свойств ряда материалов с помощью предлагаемого интеллектуального метода НК ТФСМ приведены в табл. 1. Из анализа погрешностей измерений следует,
что относительная погрешность измерений составляет не более 5 % и находится в допустимых для исследуемых материалов пределах.
Таким образом, применение интеллектуального метода для НК ТФСМ позволяет в 1,1 - 2 раза повысить оперативность определения ТФСМ с прогнозируемой точностью измерений до 5 %. Этот результат достигнут применением процедуры искусственного интеллекта для выбора способа определения ТФСМ в зависимости от измерительной ситуации, решения задачи минимизации функционала, комплексно учитывающего потери точности и оперативности, определения оптимального количества тепловых импульсов, подаваемых на ИО, выбор опти-
, »_,,****, мальных параметров теплофизических измерений (Туст , Туср , а , п ) с использованием полученных расчетно-экспериментальных зависимостей Туст = f (1),
а = f (1), Туср = f (1).
Список литературы
1 Селиванова, З. М. Интеллектуальная информационно-измерительная система для определения качественных свойств минераловатных плит / З.М. Селиванова // Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством: Сб. труд. междунар. теплофизич. школы. - Тамбов, 2004. - С. 36-39.
2 Муромцев, Ю.Л. Об одном классе интеллектуальных информационноизмерительных и управляющих систем / Ю.Л. Муромцев, Д.Ю. Муромцев, З.М. Селиванова // Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования: Сб. труд. VII Всероссийской научн.-техн. конф. - Тамбов, 2004. - С. 71-77.
3 Селиванова, З.М. Метод и адаптивная измерительно-вычислительная система неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и изделий при воздействии дестабилизирующих факторов / З.М. Селиванова, В.Н. Чернышов // Контроль. Диагностика. - М., 2001. - №1(31). - С. 12-15.
About One Intellectual Operative Method of Non-Destructive Control over Thermal Physical Properties of Solid Materials
Yu.L. Muromtsev, Z.M. Selivanova
Department “Design of Radio-Electronic and Microprocessor Systems ”, TSTU
Key words and phrases: intellectual information measurement system; intellectual method; intellectual measuring tester; examined object; thermal physical properties; thermogram.
Abstract: The intellectual method of non-destructive control over thermal and physical properties of materials is developed. The given method compared to other ones enables to increase the efficiency of control over thermal and physical properties through determination of optimum quantity of heat impulses given onto the examined object as long as the required heat mode in the area of contact of examined object with the measuring tester is reached.
Über einer intellektuellen operativen Methode der Unbruchkontrolle der wärme-physikalischen Eigenschaften der Hartstoffe
Zusammenfassung: Es ist die Intellektualmethode der Unbruchkontrolle der wärme-physikalischen Stoffeneigenschaften erarbeitet. Die vorschlagende Methode erlaubt, im Vergleich zu anderen, die Schnelligkeit der Kontrolle der wärmephysikalischen Eigenschaften als Ergebnis der Bestimmung der Optimalmenge der auf das untersuchenden Objekt auftragenden Wärmeimpulsen bis zum Erreichen des festgestellten Wärmeregimes im Bereich des Kontaktes des untersuchenden Objekts und der Meßsonde zu erhöhen.
Sur une méthode opérative intellectuelle du contrôle non-destructif des particularités thermophysiques des matériaux solides
Résumé: Est élaborée la méthode intellectuelle du contrôle non-destructif des particularités thermophysiques des matériaux. En comparaison des autres, la méthode proposée permet d’augmenter l’opérativité du contrôle des particularités thermophysiques qui résulte de la définition de la qualité optimale des impulsions thermiques transmises sur l’objet étudié jusqu’à l’obtention du régime thermique établi dans le domaine du contact de l’objet étudié et de la sonde de mesure.
