Оперативный метод неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Теплофизические методы и приборы

УДК 681.2:536.6

ОПЕРАТИВНЫЙ МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ В.Н. Чернышов1, З.М. Селиванова2

Кафедры: "Криминалистика и информатизация правовой деятельности" (1),

"Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем" (2), ТГТУ

Ключевые слова и фразы: дифференциальная термобатарея; измерительная головка; коэффициенты тепло- и температуропроводности; тепловая активность; теплофизические свойства; термозонд.

Аннотация: Разработан и исследован оперативный метод неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов, позволяющий повысить производительность теплофизических измерений не менее, чем в 5 раз, по сравнению. с известными нестационарными методами неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов, за счет начала проведения очередного измерения при достижении момента равенства температурных перепадов во взаимно перпендикулярных плоскостях подложки.

Обозначения

а - коэффициент температуропроводности;

Кэ - критерий, характеризующий тепловую активность;

Р - частота тепловых импульсов;

<2 - мощность теплового воздействия;

Т(х, 2, т) - температура в подложке термозонда;

х, 2 - координаты точек контроля температуры;

АТ - перепад температур в плоскост

Х0У;

АТ2 - перепад температур в плоскост1 Z0Y;

Ат - интервал времени между тепловым1 импульсами;

е - заданное значение перепада темпера тур;

X - коэффициент теплопроводности; т - время.

Процессы измерения и контроля качества материалов и изделий из них являются исключительно важными в различных отраслях промышленности, при этом весьма актуальной является задача оперативного определения теплофизических свойств материалов методами неразрушающего контроля (НК ТФСМ). В существующих методах НК ТФС материалов оперативность измерения снижается из-за длительности необходимого процесса термостатирования измерительного зонда перед началом очередного измерения. Поэтому разработка метода, повышающего производительность измерений, имеет большое практическое значение в неразрушающем контроле теплофизических свойств материалов.

Предлагается оперативный метод НК ТФСМ, сущность которого заключается в следующем [1].

После проведения очередного теплофизического измерения с использованием метода НК ТФСМ, основанного на тепловом воздействии на поверхность исследуемого объекта линейного нагревателя импульсами заданной частоты и мощности, помещают измерительный термозонд на вспомогательный образец из материала, близкого по теплофизическим свойствам к материалу подложки термозонда (рис. 1).

При этом температура Т(х, 2, т) в подложке термозонда при двумерном потоке тепла, вызванного действием мгновенного линейного источника тепла, определяется по соотношению

(1)

где Q - мощность теплового воздействия; X, а -коэффициенты тепло- и температуропроводности; т - время; х, 2 - координаты точки контроля температуры.

При частотно-импульсном воздействии на исследуемый объект температуру Т(х,

2, т) в точках контроля х, 2 при подаче п-го импульса рассчитывают по формуле

где Е - частота тепловых импульсов; Ат - интервал времени между тепловыми импульсами.

Рис. 1 Физическая модель системы «Термозонд - вспомогательный образец»

На рис. 1 представлена физическая модель системы «Термозонд - вспомогательный образец», где введены следующие обозначения: 1 - подложка термозонда (тело 1); 2 - вспомогательный образец (тело 2); 3 - контактная плоскость ХОУ измерительной головки термозонда; 4 - плоскость 20 У, проходящая через линию нагревателя и перпендикулярная плоскости Х0У; 5 - основная термобатарея в плоскости Х0У; 6 - вспомогательная термобатарея в плоскости 20У термозонда; 7 - нагреватель; х1, х2 - точки контроля температуры в плоскости Х0У, причем точка х2 расположена на заданном расстоянии от нагревателя, на котором отсутствует прямое влияние нагревателя за счет воздействия лучистого и конвективного теплообмена, а точка х1 - на расстоянии от края подложки, обеспечивающем отсутствие влияния краевого эффекта на результаты измерения из-за ограниченности размеров подложки зонда; 21, 22 - точки контроля температуры в плоскости 20 У, при этом точка 21 расположена аналогично точке х2, а 22 - на глубине, которая устраняет действие краевого эффекта из-за ограниченности подложки.

Далее контролируют перепад температур в плоскости Х0У, 2 = 0 в точках х2, х1, который определяется выражением

(2)

Z

4 ' Л

X

Y

A7i (x, t) = T(x2, t) - T(xb t) )

QF

2tcXt

Ё exp .i=1

x2

4аАтг

и ,

-]T 7 exp г=1

xi

4аАтг

. (3)

Аналогично определяем перепад температур в плоскости У02, х=0 в точках 22, 2]

AT2 ( t) = T^ t)- T(zh t)

QF

2tcXt

Ё exp .i=1

Z2

4аАтг

и ,

-]=77

г=1

ехр

4аАтг

(4)

Затем определяют момент времени, когда величина контролируемых перепадов температур АТ1 и АТ2 внутри подложки станет меньше наперед заданного значения е, то есть А71 < е и А72 < е. На практике значение е задается обычно не выше 0,2^0,3

°С, что позволяет считать наступление момента уравнивания (усреднения) температуры по всему объему подложки.

Как только перепады температур по объему подложки термозонда станут меньше заданной величины е, что соответствует усреднению температуры по объему подложки термозонда, измерительный зонд приводят в контакт со следующим исследуемым объектом для проведения очередного измерения и определения искомых ТФС в соответствии с реализуемым в системе частотно'-импульсным методом. При этом в системе «Термозонд - исследуемый объект» происходят два тепловых процесса.

Первый соответствует граничным условиям 4-го рода, т.е. теплообмену при контакте двух тел, температура одного из которых (подложки термозонда) выше другого. При этом на границе соприкосновения этих тел температура устанавливается и остается постоянной на протяжении всего процесса теплообмена, так как

T (0, t) = T (x, ю)

K.

1+K.

■■ const,

(5)

где Кэ - критерий, характеризующий тепловую активность первого тела по отношению ко второму, К.=— I—, где Х1, а - коэффициенты тепло- и температуропроводно-

Х2 V а1

сти подложки; Х2, а2 - коэффициенты тепло- и температуропроводности исследуемого объекта.

Второй тепловой процесс вызван действием импульсного источника тепла, помещенного в плоскости контакта двух тел. В соответствии с принципом суперпозиции температурное поле в каждой точке контактной поверхности будет определяться действием двух теплообменных процессов:

T (x, т) = Tn (x, t) + Tu (x, t) .

(6)

где Тп - температура, обусловленная действием остаточного тепла, аккумулированного в подложке термозонда от предыдущего измерения; Тн(х, т) - температура, обусловленная действием импульсного источника тепла.

Но поскольку рабочие термопары на контактной поверхности подложки находятся в абсолютно одинаковых условиях по отношению к первому теплообменному процессу (см. соотношение 5), то их дифференциальное включение исключает влияние этого теплового процесса на выходную измерительную информацию с основной дифференциальной термобатареи, следовательно, рабочие дифференциальные термобатареи фиксируют и выдают информацию только о температурно-временных изменениях (температурном поле) от действия линейного импульсного источника тепла.

Таким образом, на полученную измерительную информацию в последующих экспериментах не оказывает влияние остаточное, аккумулированное в подложке зонда тепло от предыдущего измерения, т.е. полученная измерительная информация позволяет определить ТФС следующего исследуемого объекта без влияния на результат измерения предыдущих экспериментов.

Основным недостатком известных методов, применяющихся для НК ТФСМ является то, что неотъемлемым, с точки зрения метрологии, условием его работы является необходимость после каждого измерения в охлаждении измерительной головки до температуры окружающей среды с целью достижения равенства температур измерительной головки зонда и исследуемого объекта. Но поскольку охлаждение подложки измерительной головки осуществляется в основном только через одну контактную поверхность, а боковые поверхности подложки находятся внутри корпуса зонда практически при адиабатических условиях, то этот процесс очень длительный и составляет в среднем не менее 10-30 мин. В предлагаемом методе необходимым условием начала следующего измерения является момент наступления температурного уравнивания (усреднения) в объеме подложки, которое наступает для большинства применяемых для подложки теплоизоляционных материалов за 2-3 мин. Таким образом, производительность измерений при использовании предлагаемого метода увеличивается не менее, чем в 5-10 раз.

На рис. 2 и 3 приведены термограммы в точках контроля температур в плоскостях Х0У и ЮУ подложки термозонда после окончания теплофизического измерения на различных по теплопроводности материалах. Анализ термограмм, позволяет установить, что усреднение температуры в объеме подложки термозонда происходит в среднем за 2 мин, т.е. осуществляется выполнения условия А Т < в для исследуемых классов материалов.

Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных термограмм, приведенных на рис. 4, позволяет сделать вывод, что максимальная относительная погрешность отклонения экспериментальных термограмм от расчетных составляет не более 4-5 %, что подтверждает корректность теоретического обоснования разработанного метода НК ТФСМ.

На основе разработанного оперативного метода созданы и внедрены в производство измерительно-вычислительные системы [3], позволяющие более чем в 5 раз повысить оперативность определения ТФСМ при обеспечении необходимой для теплофизического измерения точности.

Рис. 2. Термограммы охлаждения подложки термозонда в плоскости Х0У при Ах = 0,02 м

Рис. 3 Термограммы охлаждения подложки термозонда в плоскости Z0F при Аг = 0,02 м, где Аг = г2 - 1\

Рис. 4 Термограммы охлаждения подложки термозонда из рипора в плоскости Х0У

Выполнены расчеты перепадов температур А Т (х, т) в соответствии с зависимостями (3) и (4) при остывании термозонда после проведения очередного теплофизического измерения в плоскостях Х0У и 10У.

Список литературы

1. Патент 1 2170423 РФ на изобретение. Термозонд для неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и готовых изделий / В.Н. Чернышев, 3.М. Селиванова; Заявл. 16.05.2000; Опубл. 10.07.2001, Бюл. 1 19.

2. Чернышев В.Н., Селиванова З.М. Адаптивный способ оперативного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и измерительновычислительная система для его реализации // Информационные технологии при проектировании микропроцессорных систем: Тез. докл. международ. конф. - Тамбов, 2000. - С. 89-91.

3. Селиванова З.М. Измерительно-вычислительная система с веером моделей для определения теплофизических свойств твердых материалов // Математическое моделирование и оптимизация систем переменной структуры: Межвуз. сб. науч. тр. - Тамбов, 1989.- С. 163-165.

Operative Method of Non-destructive Control for Thermophysical Properties of Solid Materials

V.N. Chernyshov1, Z.M. Selivanova2

Deparments: “Criminal Law and Legal Activity Informatisation” (1),

“Design of Radio-electronic and Microprocessor Systems” (2), TSTU

Key words and phrases: differential thermal battery; measuring head; thermal conductivity; thermal diffusivity; thermal activity; thermophysical properties; thermal probe.

Abstract: Operative method of non-destructive control for thermophysical properties of materials, allowing to increase productivity of thermophysical measurements as much as 5 times compared with known non-stationary methods of non-destructive control for thermophysical properties of materials, due to beginning of each measurement at the moment of equality of temperature difference in inter-perpendicular planes of base, is developed and examined.

Operativmethode der ununterbrochenen Kontrolle der warme-physikalischen Eigenschaften der Hartstoffe

Zusammenfassung: Es ist die Operativmethode der ununterbrochenen Kontrolle der warme-physikalischen Eigenschaften der Stoffe erarbeitet und untersucht. Sie erlaubt die Produktivitat der warme-physikalischen Messungen nicht weniger als in 5 Mal im Vergleich zu den bekannten unstationaren Methoden der ununterbrochenen Kontrolle der warme-physikalischen Eigenschaften der Stoffe zu steigern. Das erfolgt auf Rechnung des Anfangs der Durchfuhrung von folgender Messung bei der Erreichung der Gleichmomentes der Temperaturabfalle in den perpendikularen Unterlageflachen.

Methode operative du controle non destructif des proprietes thermophysiques des

materiaux solides

Resume: On a elabore et l’on a etudie la methode operative du controle non destructif des proprietes thermophysiques des materiaux permettant d’augmenter la productivite des mesures thermophysiques plus de cinq fois par comparaison avec les methodes non-stationnaires compte tenu du debut de la mesure courante au cours du moment de l’egalite des gradients de temperature dans la surfaces perpendiculaires du support.