автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Бесконтактные методы и средства контроля теплового состояния изделий из частично прозрачных материалов

Гч.

сг, ст-.

сг сэ

сп На правах рукописи

-1

БИТЮКОВ Владимир Ксенофонтович

БЕСКОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЧАСТИЧНО ПРОЗРАЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.11.13-Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1997

СЭ

со

ЗбК

Работа выполнена в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) и Объединенном институте высоких температур

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Мищенко C.B. доктор технических наук, профессор Улыбин С.А. доктор технических наук Рылов В.А.

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт синтеза минерального сырья.

Защита диссертации состоится 1997г. в часов

на заседании диссертационного совета ДО 44.02 в Московской государственной академии химического машиностроения по . адресу: 107884, ГСП, Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

РАН.

Официальные оппоненты:

Автореферат разослан "2." Ш-ОНЗ, 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Г.Д. Шишов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Частично прозрачные для теплового излучения материалы (ЧПМ). к которым относятся стекла, кристаллы диэлектриков и полупроводников, полимеры, органические жидкости, пористая керамика, волокнистая теплоизоляция, находят широкое применение в различных отраслях науки и техники. Выделение этих материалов в отдельную группу обусловлено особенностью распространения энергии в них, проявляющейся в одновременном переносе ее излучением и теплопроводностью (а в жидкостях и конвекцией), что требует применения специальных методов и средств контроля теплового состояния (КТС) как самих ЧПМ, так и изделий из них. Определение теплового состояния изделий, характеризуемого полями температуры Т и плотностей потоков энергии, переносимой излучением и теплопроводностью £?с> связано с решением внутренней задачи контроля, которую в большинстве практически значимых случаях экспериментально решить невозможно. Поэтому целесообразно свести внутреннюю задачу контроля к внешней, то есть экспериментально измерять лишь температуры границ изделия, а искомые поля температуры и плотностей потоков энергии определять расчетным методом с использованием информации о физических' свойствах изделия и его границ.

Актуальность работы. Изделия из частично прозрачных материалов (кор-. пуса химических 'реакторов, разделительные перегородки высокотемпературных установок, иллюминаторы и теплозащитные покрытия объектов ракетно-космической техники, щелевые каналы специальных комплексов) работают в жестких тепловых условиях. Экологическая безопасность и необходимость создания ресурсосберегающих технологий предусматривают контроль теплового состояния изделий как на стадии разработки, так и на стадии^про-изводства и применения. Наиболее распространенные контактные методы контроля температурных полей не применимы к ЧПМ, поскольку сигнал датчиков температуры определяется не локальной температурой, а температурным полем всего объема ЧПМ и его оптическими свойствами. При бесконтактном контроле не происходит также нарушение внутреннего и внешнего состояний соответствующих изделий, что и предопределило разработку именно бесконтактных методов и средств КТС изделий из ЧПМ. С

практической точки зрения этот контроль связан с разработкой и созданием методов и средств измерения температуры граничных поверхностей ЧПМ, температурных перепадов А Т частично прозрачного материала и с решением прямой (определение полей Т, 2Я и £?с) задачи радиационно-кондуктивного переноса энергии (РКПЭ). Кроме того, непосредственный контроль температурных полей внутри ЧПМ в технологическом процессе, например, при выращивании монокристаллов фтористого лития, чрезвычайно затруднен химической активностью самого частично прозрачного материала. Вместе с тем для решения этой задачи необходимы данные по истинному коэффициенту теплопроводности Л частично прозрачных материалов, которые могут быть получены только в результате решения обратной задачи теплопроводности (ОЗТ) в условиях РКПЭ. Анализ литературных данных, приводимых разными авторами по Л одного и того же ЧПМ в условиях совместного переноса энергии показал, что различие между представляемыми результатами достигает сотен процентов. Кроме того, практически полностью отсутствует метрологический анализ результатов решения прямой и обратной задач РКПЭ. Это обусловлено как сложностью математической модели процесса так и его многопараметричностью. Интенсивному исследованию в последние годы бесконтактных методов и средств теплового контроля способствовала разработка эффективных методов генерации высоких плотностей энергии, основанных, например, на использовании лазерного излучения, обеспечивающих ■ режим абляции на поверхности изделия, подвергшегося соответствующему воздействию. Особый интерес представляет бесконтактный КТС изделий из ЧПМ непосредственно в технологическом процессе, например, при плазменной обработке (ПО) кварцевых труб (КТ). Таким образом, разработка математических методов расчета температурных и энергетических полей в ЧПМ и математических моделей средств измерения, проектирование специализированных приборов контроля, учитывающих индивидуальные особенности оптических свойств ЧПМ, и развитие методов метрологического анализа РКПЭ являются базой приборно-методического обеспечения бесконтактных методов КТС изделий из ЧПМ.

Целью работы являлось создание методологии и теоретических основ бесконтактного метода контроля теплового состояния изделий из частично прозрачных для теплового излучения материалов.

Автор защищает:

- методологию и теоретические основы бесконтактного метода КТС изделий из ЧПМ, основанных на феноменологической теории совместного переноса . энергии излучением и теплопроводностью и физико-математических моделях объектов, условий измерений и приборов контроля;

-' бесконтактные методы измерения температуры и температурных перепадов высоко- и низкотемпературных изделий из ЧПМ по их собственному электромагнитному излучению в гон спектральной области, где коэффициент отражения самого ЧПМ мал;

- установку для плазменной обработки кварцевых труб, содержащую инфракрасный пирометр (ИК) частичного излучения, позволившую впервые предложенным динамическим методом определить толщину удаленного поверхностного слоя КТ в технологическом процессе ее ПО и исследовать тепловые и кинетические параметры процесса;

- результаты математического моделирования процесса РКПЭ в плоском слое селективного ЧПМ с произвольными границами;

- алгоритм и результаты метрологического анализа радиационно-кондуктивного переноса энергии с использованием метода малых возмущений;

- анализ и синтез оптимального (по минимуму систематической погрешности) алгоритма бесконтактного метода определения коэффициента теплопроводности частично • прозрачных материалов при высоких температурах;

- комплекс новых бесконтактных методов и алгоритмов обработки информационно-измерительных параметров системы контроля теплового состояния изделий из ЧПМ; .

- установку для исследования РКПЭ и определения /1 ЧПМ, содержащую дифференциальный инфракрасный пирометр частичного излучения, позволившую установить температурную зависимость коэффициента теплопроводности различных марок оптического кварцевого стекла, в том числе в ранее недоступном диапазоне высоких температур.

Научная новизна работы

Разработаны методология и теоретические основы бесконтактного метода контроля теплового состояния изделий из частично прозрачных для теплового

излучения материалов, что позволило свести внутреннюю задачу контроля теплового состояния изделий из частично прозрачных материалов к внешней.

Предложен бесконтактный метод определения коэффициента теплопроводности ЧПМ при высоких температурах, исключающий ряд принципиальных недостатков, присущих традиционной (контактной) схеме определения Л (наличие трудно устранимых контактных термических сопротивлений между образцом и ограничивающими его поверхностями; химическое взаимодействие при высоких температурах между образцом исследуемого ЧПМ и материалом нагревателя (холодильника), а при достаточно длительном эксперименте и их взаимная диффузия; практическая сложность выполнения предварительного высокотемпературного отжига металлов, из которых изготовлены нагреватель и холодильник, для стабилизации их оптических свойств) и позволивший исследовать в интервале температур 600-1500К, причем при температурах 1100-1500К впервые, зависимость коэффициента теплопроводности оптического кварцевого стекла от температуры.

Разработана методология метрологического анализа прямой и обратной задач РКПЭ, позволившая впервые с единых позиций выполнить как системные исследования влияния погрешностей определения оптических свойств границ и самого ЧПМ, а также экспериментально измеряемых параметров системы нагреватель - изделие из ЧПМ - холодильник на точность решения задач РКПЭ, так и аналитический обзор с метрологическим анализом опубликованных за последние -90 лет данных по температурной зависимости коэффициента теплопроводности оптического кварцевого стекла.

С единых методических позиций выполнено математическое моделирование переноса энергии и средств измерения, что позволило создать инвариантные по отношению к основным дестабилизирующим факторам алгоритмы обработки информации, с использованием которых определены малые разности (~50К) высоких температур (-1300К) с относительной погрешностью е ~3% и коэффициента теплопроводности оптического кварцевого стекла с. е ~8%.

Разработан бесконтактный метод определения толщины удаленного поверхностного слоя изделия из ЧПМ. при воздействии на него в технологическом процессе высококонцентрированным источником энергии, использующем инфракрасный пирометр частичного излучения в качестве

первичного преобразователя средства технического зрения гибких автоматизированных производств.

Предложен метод, построена математическая модель, систематизированы требования, классифицированы способы и выполнено метрологическое исследование процедуры перехода от потока собственного электромагнитного излучения контролируемого изделия к его температуре, что эквивалентно Переходу от качественного теплового контроля к количественному. Метод позволил впервые с тщательным метрологическим анализом выполнить исследование поля температуры источника вторичного электропитания с помощью широкоспектральной оптико-электронной системы (ОЭС). .

Практическую ценность работы представляют:

- результаты контроля толщины удаленного поверхностного слоя с кварцевых труб в технологическом процессе их плазменной обработки и созданные для этих целей средства контроля (а.с. №1143993);

- алгоритмы и компьютерные программы численного решения прямой и обратной задач РКПЭ в плоском слое конденсированной селективной среды с произвольными границами, которые включены в Государственный фонд алгоритмов и программ и по которым проведена экспертиза на новизну (П003058 и П003059);

- результаты метрологического исследования контактного и бесконтактного методов определения коэффициента теплопроводности ЧПМ в условиях РКПЭ и оптимизации ОЗТ в условиях РКПЭ для бесконтактного метода с целью выявления информативных параметров (а.с. №№748148,767631, 1183878, 1267240,1352332);

- установленная температурная зависимость коэффициента теплопроводности оптических кварцевых стекол в области высоких температур, а также результаты вычисления истинного коэффициента теплопроводности ЧПМ по их эффективному коэффициенту теплопроводности Л', известному по оригинальным литературным источникам;

- результаты метрологического исследования теплового состояния низкотемпературных изделий с использованием бесконтактных методов контроля по нх собственному электромагнитному излучению (а.с. №№1111085, 1311403, 1505143, 1654732,1654734, 1728680 и патент №1804592);

- рекомендация об использовании оптического кварцевого стекла в качестве эталонного вещества при определении Л ЧПМ в условиях совместного переноса энергии излучением и теплопроводностью и проверке качества алгоритма и программы численного решения задачи РКПЭ.

Результаты данной работы использованы в научно-исследовательской практике ряда организаций и предприятий: ГосНИИ кварцевого стекла (Санкт-Петербург), ВНИИ электротермического оборудования (Москва), ОИВТ РАН (Москва), ВНИПКИ стекольного машиностроения (Москва), АО "Ценгравтоматика" (Воронеж), МГГА (Москва), ГосНПО "Альтаир" (Москва), НИИ технического стекла (Москва) и др., а также в учебном процессе кафедр "Автоматизированные системы производства" ТИХМ, "Системы автоматического управления и контроля" МИЭТ, "Технической физики и физики горных пород" МГГА и "Радиоприборы" и "Технологические основы радиоэлектроники" МГИРЭА.

Результаты работы защищены 12 авторскими свидетельствами на изобретения и одним патентом.

Достоверность результатов. Достоверность разработанных алгоритмов и компьютерных программ проверена сопоставлением численных результатов, полученных с их помощью, с известными и наиболее точными литературными данными, установленными в результате численных или асимптотических решений другими авторами. Адекватность математической модели РКПЭ натурным условиям, реализованным в экспериментальной установке для исследования РКПЭ и определения Л ЧПМ при высоких температурах, и используемым оптическим свойствам системы нагреватель - образец ЧПМ -холодильник подтверждена сопоставлением экспериментальных и расчетно-теоретических значений соответствующих величин. Достоверность результатов определения толщины удаленного поверхностного слоя с КТ при ее ПО с применением предложенного динамического метода установлена сопоставлением с результатами, найденными весовым метод. Достоверность полученной информации по Л доказана (в условиях незначительного переноса энергии излучением по сравнением с теплопроводностью) сравнением с надежными литературными данными ВНИИМ им. Д.И. Менделеева и убедительно подтверждена полученными позже через 15 лет) результатами других авторов (МАИ).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV Всесоюзной конференции по радиационному теплообмену (Киев, 1978г.), VI Всесоюзной конференции по тепло-физическим свойствам веществ (Минск, 1978г.), семинаре "Автоматизация, моделирование и средства регулирования процессов роста монокристаллов" (ГОИ им. С.И. Вавилова, 1978г.), семинаре "Геология, методы поисков, разведки и оценки месторождений камнесамоцветного сырья" (ВНИИ синтеза минерального сырья, 1978г.), VII Всесоюзном научно-техническом совещании по электротермии и электротермическому оборудованию (Новосибирск, 1979г.), VI Всесоюзной конференции по тепломассообмену (Минск, 1980г.), V Всесоюзной научно-технической конференции "Радиационный тепло-

обмен"(Ставрополь, 1982г.), V Всесоюзной научно-технической конференции

*

по кварцевому стеклу (Ленинград, 1983г.), IX Всесоюзной конференции "Конструкция и технология получения изделий из неметаллических материалов (Обнинск, 1984г.), IV Всесоюзном симпозиуме по плазмохимии (Днепропетровск, 1984г.), V Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития средств измерения температуры" (Львов, 1984г.), Всесоюзной конференции "Обратные задачи радиационного и радиа-иионпо-кондуктипного теплообмена в теплофизике" (Суздаль, 1985г.), И Межвузовской научно-технической конференции "Радиоволновые, оптические и тепловые методы и средства неразрушающего контроля материалов и изделий" (Одесса, 1985г.), III Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерении в области высоких температур" (Харьков, 1986г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства теплофизических измерений" (Севастополь, 1987г.), IV Всесоюзной конференции "Тепловизионная медицинская аппаратура и практика ее применения" (Ленинград, 1988г.), семинаре ''Импульсные источники вторичного электропитания. Состояние н перспективы развития" (Севастополь, 1989г.), V Всесоюзной конференции "Тепловизионные приборы для медицины и неразрушающего контроля в промышленности" (Красногорск, 1991г.), ХХХ1-Х1^ ежегодных научно-технических конференциях МГИРЭА (Москва, 1982-199бгг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 65 печатных работ.

Разработка по диссертационной работе в 1988г. отмечена серебряной медалью ВДНХ СССР.

Структура и объем диссертаиии. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении сформулированы актуальность проблемы и ее практическая значимость, а также цель и основные задачи данной работы.

В первой главе, носящей обзорный характер, показано, что оптические свойства (показатель преломления п И коэффициент к (показатель к) поглощения) ЧПМ имеют ярко выраженный индивидуальный характер. Обоснована целесообразность сведения внутренней задачи контроля теплового состояния изделий из ЧПМ к внешцей, реализация которой сопряжена с использованием - информации о физических свойствах как самого изделия из ЧПМ так и его границ, измеряемых, как Правило, в отдельных экспериментах. Однако, если оптические свойства, плотность и удельная теплоемкость могут быть измерены в изотермических условиях, то коэффициент теплопроводности ЧПМ может быть определен лишь в неизотермических условиях, а, значит, на основании решения обратной задачи теплопроводности в условиях РКПЭ. Необходимо подчеркнуть, что значительная часть имеющейся в литературе информации о а ЧПМ не может служить достоверной и объективной характеристикой самого материала, так как была получена без корректного учета совместного переноса энергии в нем. Такие значения коэффициента теплопроводности определяются тепловым состоянием образца ЧПМ и оптико-геометрическими свойствами и температурами ограничивающих его поверхностей, а, следовательно, должны быть идентифицированы как значения эффективного коэффициента теплопроводности. Физической характеристикой самого ЧПМ могут служить лишь те данные о его л, которые получены на базе решения ОЗТ в условиях РКПЭ. Только эти данные и могут быть использованы при КТС изделий из ЧПМ.

Таким образом, бесконтактный КТС изделий из ЧПМ требует комплексного расчетно - экспериментального подхода, связанного с решением, по крайней мере, трех в значительной степени независимых вопросов: разработку методов, математическое моделирование и проектирование специализированных приборов для измерения температуры и перепада температуры ЧПМ по их собственному электромагнитному излучению в той спектральной облас-

ти, где коэффициент отражения Ч11М мал; разработку математических методов и создание компьютерных программ численного решения прямой и обратной задач РКПЭ; сбор, измерение и анализ информации о физических свойствах материалов, из которых изготовлен рабочий участок системы контроля.

Вторая глава посвящена разработке методов КТС изделий из ЧПМ, основанных на использовании феноменологической теории РКПЭ. Математическая модель радиационно-кондуктивного переноса энергии в плоском слое (с бесконтактными границами) селективного нерассенвающего ЧПМ полутолщиной Л, ограниченного отнесенными от него на расстояния 8, и ¿^зеркально отражающими нагревателем и холодильником, имеющими температуру 7} и т2, соответственно, причем зазоры между слоем и нагревателем и слоем и холодильником заполнены диатермической теплопроводной средой с показателем преломления, равным единице, включает уравнение закона сохранения энергии

А. _ А

с/х /, с1:с с граничными условиями

+ 2л \ \il~t -

(V '

= 0,

Л <П А с1х

А сГТ И ' с!х

= я- I 4v.IV' 71-1)].

(V)

х=\

- Т(-1) = То, т(1) = т0, ; т(-1) - т(1) =ат,

0)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

е=в

и уравнения переноса излучения

(7)

сНу 2 »

Му

г - г Г-т п I

(8) (9)

с граничными условиями

/+(- 1,/i) = (1 - Rlv)nlvIpn + Rwi;{- 1,//), (10)

Iy{l,v)=(l-.Rlv)n2vIpvl+R2vI+{l,p), (11)

где p-\cosv4 V ~ угол распространения излучения, отсчитываемый от положительного направления нормально ориентированной к слою декартовой координаты X, начало которой совпадает с серединой толщины слоя, ц и ц связаны законом Снелла, х, = kyh- оптическая полутолщина, j- интен-

сивность излучения вперед (назад), Ipv- интенсивность равновесного излучения в вакууме, Riv и R2v - эффективные (с учетом многократных отражений) коэффициенты отражения границ рассматриваемого слоя при х = -1 их- 1, соответственно, Ipvl = 1)),Ipv2 = 7^(7(1)), Л, и Л2 -'коэффициенты

теплопроводности зазоров толщиной S¡ и S2 между слоем и нагревателем и слоем и холодильником, соответственно, £/*vl и £f¡v2 - эффективные (с учетом многократных отражений) полусферические излучательные способности зазора между нагревателем и слоем и холодильником и слоем, соответственно, Q -плотность полного потока энергии, Q, Т0 и Т0' - экспериментально измеряемые значения параметров Q,, 71(1) и 71(1), соответственно. Здесь и далее индекс 'V' или "¿"указывает на спектральную зависимость соответствующей величины от частоты v или длины волны Л. Следует подчеркнуть, что интегри-рование по частоте в уравнении (1) ведется по области прозрачности ЧПМ, то есть по тем частотам, которым соответствует не слишком большой коэф-фициент поглощения, когда уравнения переноса ..iлучения не теряют смысла. Интегрирование по частоте в уравнениях (2) и (3) выполнялось по области непрозрачности (v), где длина свободного пробега фотона становится соиз-меримой и даже меньше длины волны излучения, то есть по тем частотам, ко-торые не вошли в область прозрачности. Здесь и далее величины со знаком «тильда» соответствуют области непрозрачности ЧПМ.

За более чем полувековую историю изучения проблемы радиационно-кондукгивного переноса энергии было предложено большое число как аналитических, так и численных методов ее решения. Аналитические методы позволяли исследовать лишь модельные задачи РКПЭ с целым рядом допущении, главным из которых был неучет спектральной зависимости соответствующих параметров процесса. Поэтому в настоящей работе основное внимание уделено решению спектральных задач РКПЭ.

Решив относительно Г уравнения закона сохранения энергии (1) н переноса излучения (8), (9) с граничными условиями (10), (И) и выразив одну из констант интегрирования через значение температуры при х = -1, получили следующее выражение для поля температуры в плоском слое ЧПМ

| „Л -/,>!)]-

(у) 1-1

I

(V) О

где

0 г V

С1ч,(х) = -¿-(1 - Я, Ж"0"' + ^е''-"-"],

7 1 II2

Ру= 1-R.iv ^-ехр(- 4-уу), 7У= ку Ь/ ц.

В результате дискретизации по* координате уравнения (12) имели систему из тх-1 уравнений {тх - число узлов дискретизации). Благодаря такой процедуре .граничные условия задачи (уравнения (3)-(7)) были отделены от системы уравнений, получающейся в результате дискретизации по координате уравнения (12), что позволило построить простые и экономичные алгоритмы решения прямой и обратной задач РКПЭ в плоском слое с контактными, бесконтактными и комбинированными границами. При решении прямой задачи РКПЭ число неизвестных величин равно тх+1 (0, Т„ /'= 1, 2, ..., тх). Поэтому, для получения замкнутой системы уравнений необходимо к тх-1 уравнениям,

получающимся из (12) в результате его дискретизации по координате, добавить еще два граничных условия, например, уравнения (2) и (3). Информация, приведенная на рис.1 и в табл.1 и 2, показывает характерные результаты расчета температурного поля по толщине, представленные в виде отклонения фактического распределения температуры от линейного Т- Тлш =/х) (здесь * е[-!,!] -безразмерная координата по толщине слоя, нормированная на К), и потоков, энергии, переносимой излучением и теплопроводностью ()с, в изделии из оптического кварцевого стекла с контактными (рис.1,а и табл.1) и бесконтактными (рис. 1,6 и табл.2) границами.

Рис. 1. Поле температуры по толщине безводного оптического кварцевого стекла марки КИ с контактными вольфрамовыми границами (рис.1 ,а: ЛТ^50К, /-7у1600К, 2• Т2~1200К. а-510'3м, б-2,5-10'3м, с-1-10'3м) и бесконтактными границами (рис.2,б: вакуумные зазоры между вольфрамовым нагревателем . и черным холодильником, Т,~2тк. Т¡-293К, 1-к=1Ш3м, 2-И=2,5-103м, 3-И=5-1(Г3м, 4-Ь=7,5 Ш3м)

Были рассмотрены три марки оптического кварцевого стекла: КИ, КВ и КСГ, отличающиеся существенно разной концентрацией гидроксильных групп ОН. Стекло КСГ, обладая наивысшей концентрацией ОН, имеет в спектре поглощения сильные водяные полосы при длинах волн 2,2мкм и 2,72мкм, в то время как безводное стекло КИ таких полос не имеет. Кварцевое стекло КВ занимает промежуточное положение.

Таблица 1 Результаты решения прямой задачи РКПЭ для той же системы, что и рис.1,а (контактные границы)

Таблица 2

Результаты решения прямой задачи РКПЭ для системы вольфрамовой нагреватель - оптическое 'кварцевое стекло - черный (нормальная излуча-тельная способность £х = 0,97) холодильник (бесконтактные границы)

Г/ А 10' вс 'О3

к м Вт/и2 Вт/м^

1200 1,0 5,52 52,5

2,5 5,68 21,0

5,0 5,76 10,5

1600 1,0 18,5 57,5

2,5 18,8 23,0

5,0 19,0 11,5

Марка оптического кварцевого стекла Т, к. А-101 м Д-1) К А Т К йгЮ1 Вт/м2 Ос-Юз Вт/м2

КИ 1200 7,5 635,8 32,8 9,96 4,59

2400 2,0 1068,4 41,9 489,5 2,20

кв 1200 7,5 653,5 35,2 9,54 4,93

2400 2,0 1104,6 43,8 488,6- 2,30

ксг 1200 7,5 691,0 42,2 ' 8,31 5,91

2400 2,0 1203,6 53,9 484,8 2,83

При решении обратной задачи теплопроводности в условиях РКПЭ число неизвестных величин равно тх+2 (Л, Ть ¡-1, 2,..., тх). Поэтому, для получения замкнутой системы уравнений необходимо к:тх-\ уравнениям, получающимся из уравнения (12) в результате его дискретизации по координате, добавить еще три уравнения, связывающих какой-либо экспериментально измеряемый параметр РКПЭ, например, ЛТ, Т0\ Т0 и 2е функционалом решения задачи. Важно отметить, что при решении ОЗТ в условиях РКПЭ для плоского слоя с бесконтактными границами условия (2) и (3) необязательно должны входить в число трех необходимых дополнительных условий к системе из тх-1 уравнений, получающихся после дискретизации по координате уравнения (12). В качестве таковых могут быть использованы любые три условия из (2)-(7) (кроме случая, когда одновременно используются условия (4)-(6)). Таким образом, общее число обратных задач РКПЭ для записанной выше совокупности граничных условий равно девятнадцати, причем каждая из них будет характеризоваться конкретной погрешностью определения Л, связанной как с погрешностями непосредственно измеряемых величин, так и с погрешностями входных данных по оптическим характеристикам исследуемого материала, нагревателя и холодильника.

Для проверки разработанных алгоритмов и программ решения задач РКПЭ были выполнешл расчеты предельных режимов РКПЭ, а также прове-

депо сопоставление результатов численных расчетов, полученных с исполь-юванием созданного программно - алгоритмического обеспечения, с наиболее |очными результатами других авторов, имеющимися в литературе, которые подтвердили достоверность, надежность и эффективность алгоритма и программы.

Разработка бесконтактного метода определения Л ЧПМ включала оптимизацию обратной задачи РКПЭ по минимуму систематической погрешности определения Л с целью выявления информативных параметров процесса. В качестве дополнительных условий к уравнению (12) были использованы уравнения (2)-(7). В качестве характерного примера рассмотрен плоский слой оптического кварцевого стекла, отделенный вакуумными зазорами от вольфрамового нагревателя и черного холодильника. Процедура численной оптимизации методом малых возмущений заключалась в следующем. На основании заданных значений температур нагревателя и холодильника, толщины слоя и коэффициента теплопроводности ЧПМ, решалась прямая задача РКПЭ, в результате чего находили значения 71(-1), 7(1), ЛТ и £)■ Если эти величины счшать полученными экспериментально, то решение любого из девятнадцати вариантов обратной задачи РКПЭ приведет к исходному значению Л. Затем один из измеряемых параметров или параметров, характеризующих оптические свойства системы, изменяли на величину, соответствующую его погрешности, и решали заново ОЗТ. В результате чего получали новое значение Л,. При этом величина ЗЛп определяемая по формуле = - Л)! Л, характеризует относительную погрешность определения Л, которая связана с погрешностью знания 1-го параметра рассматриваемой задачи. Результаты исследования трех вариантов ОЗТ в условиях РКПЭ представлены в табл.3, где ек и пн - нормальная излучательная способность и показатель преломления материала нагревателя.

В табл. 3 представлены только три варианта решения ОЗТ в условиях РКПЭ из девятнадцати возможных. Вариант 1 соответствовал использованию дополнительных условий (2), (3) и (6), вариант 2 - (2), (3) и (5) и вариант 3 - (3), (5) и (6). Дело в том, что при одновременном использовании условий (4) и (5) и одного из условий (2) или (3) уже однопроцентная погрешность измерения Т0 либо Т0 приводит к погрешности определения Л, превышающей сорок процентов. В ОЗТ, где используется условие (7), то есть измеряется плотность полного потока энергии, уже трехпроцентная погрешность в (? приводит к погрешности в определении Д составляющей сто двадцать процентов. Это

означает, что бесконтактные методы определения Л ЧПМ, основанные на измерении плотности полного потока энергии, практического интереса не представляют.

Таблица 3

Влияние погрешностей определения оптических свойств кварцевого стекла марки КИ, вольфрамового нагревателя и черного холодильника и экспериментально измеряемых параметров на погрешность определения коэффициента теплопроводности

Варьируемый параметр Изменение, % <5/1, для различных вариантов обратных задач РКПЭ, %

Т,= 1200К Т,=2ШК

1 2 3 1 2 3

п 1 -0,01 -0,03 -0,13 -0,13 -0,05 -0,33

Область к 10 1,35 1,74 0,23 2,49 3,33 0,48

прозрачности е„ 3 1,22 1,67 -0,61 1,07 1,98 -1,06

4 -0,03 -0,04 0,01 -0,03 -0,05 0,03

£1 1 -0,08 -0,19 0,38 -0,11 -0,44 0,67

п 10 -1,25 -0,65 -3,64 -1,56 -0,82 -3,29

Область к 10 -0,10 -0,01 -0,43 -0,11 -0,02 -0,30

непрозрачности 5 1,86 2,33 - 1,82 2,59 -

"и 5 -0,02 -0,03 - -0,03 -0,04 -

1 0,17 - 0,87 0,25 - ' 0,85

т, 0,5 1,33 1,78 -0,44 0,85 1,41 -0,48

Экспериментально ' То 1 - -1,22 .4,90 - -1,71 4,07

измеряемые Т>2 1 -0,06 - -0,29 -0,02 - -0,06

параметры ■ Д 7 5 -5,11 -5,16 -4,88 -5,11 -5,21 -4,88

2 А 0,1 0,11 0,12 0,10 0,13 0,13 0,11

Суммарная погрешность ЗЛ, % 7,06 7,88 8,98 7,35 8,92 8,33

Математическое моделирование предложенного бесконтактного метода определения Л показало необходимость измерения не только температуры поверхности ЧПМ, но и перепада температуры ЛТпа. нем. На основании анализа спектральных зависимостей пик (к) показано, что для пирометрии частично

прозрачных материалов целесообразно использовать коротковолновый край фундаментальной полосы поглощения материала. При этих длинах волн коэф- -фициент поглощения ЧПМ превышает 102см-' и уже при малых' (меньше мм) толщинах частично прозрачный материал можно' считать непрозрачным. Более того, показатель преломления ЧПМ в рассматриваемом спектральном диапазоне практически {)авен единице, что, позволяет считать малым и его . коэффициент отражения. Таким образом, в этом спектральном диапазоне частично прозрачный материал излучает почти как абсолютно черное тело (АЧТ). Например, для пирометрии кварцевого стекла наиболее пригоден спектральный диапазон от 4',8мкм до 7,6мкм.

В третьей главе рассмотрен анализ и синтез специализированных средств для бесконтактного контроля теплового состояния изделий из ЧПМ, а именно рассмотрены инфракрасные пирометры частичного излучения для измерения Т и ЛТ кварцевого стекла, установка для исследования РКПЭ и определения Л ЧПМ при высоких температурах абсолютным бесконтактным методом плоского слоя, установка для плазменной обработки кварцевых труб и установка для теплового контроля низкотемпературных изделий.

Математическая модель инфракрасного пирометра частичного излучения, регистрирующего (в диапазоне длин волн АЛ) энергию высокотемпературного изделия, позволяет определить на.выходе прибора электрический сигнал и согласно уравнению

и = к/(]л)£ЛпЛ^с2/ЯТ)-1)М' . . (,3)

где к - коэффициент усиления приемно-регистрирующего тракта,/ - конструктивный параметр ИК пирометра, гд - зависимость пропускания оптической системы и среды, находящейся между изделием и ИК пирометром, - чувствительность приемника излучения, Яд - коэффициент отражения элементов оптической системы.

Схема инфракрасного пирометра частичного излучения для измерения температуры изделий из кварцевого стекла показана на рис.2. Излучение контролируемого изделия с помощью сферического 1 и плоского 12 зеркал направлялось на приемник излучения 4 с диафрагмой 6 и дисперсионным фильтром 5. расположенным за модулятором 8 в специальном термостате.

Рис.2. Схема

инфракрасного

пирометра

частичного

излучения для

измерения

температуры

поверхности

изделия из

кварцевого

стекла .

Перемещение приемника излучения вдоль оптической оси выполнялось с помощью микрометрического винта 3.Излучение встроенной модели АЧТ 11 с помощью перемещающегося зеркала 10 направлялось на приемник излучения 4. Опорный сигнал для синхронного детектора формировался с помощью све-тодиода 9 и фотоприемника 7, расположенных на оси, перпендикулярной плоскости модулятора". Пирометр имел водоохлаждаемый корпус 2 с флюоритовым входным окном 13. Градуировку созданного прибора выполняли по специальной модели АЧТ сравнением с образцовым пирометром ЛОП-72. Принятые меры по термостатированию приемника излучения и всего инфракрасного пирометра частичного излучения позволили реализовать инвариантную к внешним дестабилизирующим факторам схему прибора. Градуировку созданного прибора, то есть получение зависимости Т=/[Ц), выполняли методом сличения с излучением модели АЧТ. ИК пирометр имел следующие основные технические характеристики: спектральный интервал -5-бмкм, площадка визирования - 1мм2, апертурный угол - 3,5°, показатель визирования -1:500, относительная погрешность - 0,5-1,5%, температурный диапазон - ЮОО-ЗОООК.

Математическая модель дифференциального инфракрасного пирометра частичного излучения, предназначенного для определения малых разностей высоких температур ЧПМ по измерению отношения интенсивности излучения двух точек в спектральной области сильного поглощения ЧГ1М (где коэффициент отражения мал), имела следующий вид

1Ь

-У

11'

____________4Risx__________dX

- A5(exp(C2/A(3o+^7))-l) 1 - Ш) ---------, (14)

/0 f Wa m

{ Д5(ехр(с2 /А75))-1) Ш)

|де То - опорная температура, 1 и /9 - интенсивность излучения контролируемого изделия в ИК области. В основу градуировки, то есть "получения зависимости 1110 = _/"(Л7), в отличие от обычно используемого сравнения с эталонным пирометром было положено сравнение измеренного отношения сигналор в ПК области спектра (Л ~ 5-бмкм) с соответствующим отношением монохроматических сигналов в видимой области спектра (Я = 0,65мкм), так как чувствительность фотоэлектрических измерительных устройств в видимой области спектра значительно выше, чем в инфракрасной. Оптическая схема дифференциального ИК пирометра частичного излучения, реализованная применительно к установке для исследования РКПЭ и определения Л ЧПМ бесконтактным методом плоского слоя (рис.3), построена по рефлекторной системе. Излучение с противоположных поверхностей образца 6 ЧПМ с помощью системы плоских 11, 14, 21, 28 и сферических 15 зеркал фокусировалось на приемной площадке охлаждаемого жидким азотом фоторезистора 17 типа ФСГ-22-ЗА1, перед которым установлены диафрагма 19 поля зрения, инфракрасный комбинированный фильтр 18 и модулятор 20. Диафрагма 19 могла перемещаться в плоскости, перпендикулярной к оптической оси падающего излучения, для получения максимального значения полезного сигнала. Уравнивание верхнего и нижнего оптических каналов выполнялось задвижками 13. Фотоэлектронный умножитель 25 типа ФЭУ-79 с диафрагмой 23 поля зрения и интерференционным фильтром 24 предназначен для измерения интенсивности излучения в видимой области спектра. Подвижное зеркало 21 обеспечивало переключение излучения с фоторезистора на фотоэлектронный умножитель и обратно. При выполнении градуировки дифференциального ИК пирометра частичного излучения была использована трубчатая модель абсолютно черного тела. Угол поворота оптической оси сферическими зеркалами не превышал 7-10 градусов, что обеспечивало малые искажения изображения. Апертурный угол составлял 3 градуса. Коэффициент увеличения оптической системы был равен 1,2.

Рис.3. Схема установки для исследования радиационно-кондуктивного переноса энергии и определения коэффициента теплопроводности частично прозрачных материалов при высоких температурах бесконтактным методом ппоского слоя

Метрологический анализ показал5; что при Г~600К погрешность измерения разности температур ~35К составляла 3,7%, а при 7~1100К и /17'~100К -2,4%. Установка для исследования РКПЭ и определения А ЧПМ бесконтактным методом плоского слоя состояла из высокотемпературной вакуумной водоохлаждаемой камеры, системы вакуумирования и газонаполнения, измерительной схемы, дифференциального ИК пирометра частичного излучения и системы силового электропитания. При разработке высокотемпературной

камеры (ркс.З) особое внимание было обращено на создание условий нагрева образца 6 исследуемого ЧПМ нагревателем и холодильником с известными и стабильными оптическими свойствами. Камера 1, представляющая собой цилиндр с двойными водоохлаждаемыми стенками диаметром ~530мм и длиной ~640мм, изготовлена из нержавеющей стали Х18Н10Т. Дно камеры 31 было установлено на подставку высотой ~1300мм. В нижней части камеры установлены 6 медных водоохлаждаемых неподвижных токоподводов 32 (по три с каждой стороны). Крепление плоских ленточных нагревателей (центрального 5 и охранных 3) на токоподводы 32 выполняли с помощью съемных токоподводов 2. В качестве материала для изготовления нагревателей выбран вольфрам, обладающий рядом уникальных свойств (высокой температурной плавления, стабильными и изученными оптическими свойствами, малой скоростью испарения, возможностью изготовления ленты толщиной 20-100мкм). Нагреватели были изготовлены из фольги толщиной 50мкм. Ширина центрального нагревателя равна - 100мм, охранных ~80мм, а их длина ~250мм. Для обеспечения плоскопараллельности образца и нагревателя в процессе эксперимента использовали специальную систему механических противовесов. Расстояние между образцом и нагревателем не превышало 4мм. Вывод излучения с нижней поверхности образца осуществляли через отверстие 01,2мм в центральном нагревателе. Образец 6 исследуемого ЧПМ представлял собой диск диаметром 40мм со специальной фаской. Толщина образца выбиралась такой, чтобы перепад температуры на нем составлял 20-60К, и варьировалась от 2мм до 15мм. Для создания условий одномерного переноса энергии в системе нагреватель-образец-холодильник образец ЧПМ помещали в охранную плиту 4, изготовленную из такого же материала, что и образец 6, и имеющую в центре отверстие (с выступом) для крепления образца. Крепление образца осуществляли на водоохлаждаемом экране 16 с помощью молибденовых подвесок 7. Вывод электромагнитного излучения из камеры 1 выполняли через флюоритовые окна 10 и 30, защита которых от запыления парами вольфрама осуществлялась водоохлаждаемыми экранами 16 и 26, соответственно. Образец 6 крепили к экрану 16 так, чтобы при отжиге нагревателей экран закрывал окно 10, а сам образец был отведен от нагревателей. При проведении измерений образец вводили в зону нагрева, а экран 16 открывал окно 10. Экран 26 перемещался в плоскости параллельной нагревателям, а экран 16 обеспечивал поворот образца над нагревателями на угол 90 градусов. Внутренняя пог н. рмюпь камеры выполняла роль черного холодильника комнатной тем-

пературы. Измерение температур нагревателя выполняли эталонным опти-

ператур) температурного интервала определения Л в рассмотренной установке был дополнительно установлен между образцом ЧПМ и холодильником тонкий полупрозрачный экран, изготовленный из кварцевого стекла (на рис 3 не показан). Для проведения процесса плазменной обработки кварцевых труб с целью повышения их качества была создана специальная установка рис. 4). Она состояла из плазмотрона 6 с системой его энергоснабжения и запуска, узла вращения КТ и перемещения плазмотрона, инфракрасного пирометра ? для измерения температуры поверхности кварцевой трубы и блока контроля и управления параметрами процесса. Кварцевая труба 1 крепилась через теплоизолирующую асбоцементную прокладку 2 в патрон 3, который фиксировался на шпинделе токарного станка. В горизонтальном направлении кварцевая труба фиксировалась стопорными винтами 4 через прокладки 5.

на погрешность определения температуры поверхности КТ были выполнены специальные эксперименты, которые позволили установить два факта. Во-первых, собственное излучение азотной плазмы не влияет на показания пирометра, то есть использованную плазменную струю можно считать

ческим пирометром ЭОП-66 27, а поверхности образца - инфракрасным пирометром частичного излучения 12. С целью расширения (в область высоких тем

Рис.4. Схема установки для плазменной обработки кварцевых труб

Плазмотрон 6 и инфракрасный пирометр 7 устанавливались на суппорте 8 станка, что обеспечивало их синхронное перемещение вдоль кварцевой трубы. Принципиальным вопросом использования созданного инфракрасного пирометра в условиях ПО КТ являлся вопрос о влиянии излучения плазмы и продуктов абляции кварцевой трубы на показания прибора. Для оценки влияния излучения азотной плазмы и продуктов абляции кварцевых труб

оптически прозрачной в спектральном диапазоне работы ИК пирометра. Во-вторых, монотонный характер изменения температуры поверхности кварцевой трубы после отключения плазмотрона свидетельствует о том, что плазменная струя с продуктами абляции не оказывает влияния на показания прибора. Установка для теплового контроля низкотемпературных изделий имела оптическую скамью с двумя перемещающимися по ней стойками, между которыми крепился образец исследуемого изделия, например изделие конструкционной оптики (ИКО), и два эталонных излучателя, выполненных по технологии, аналогичной технологии изготовления самого ИКО. На другой оптической скамье, расположенной перпендикулярно плоскости ИКО, крепили приемную камеру тепловизионной системы АТП-44И, в поле зрения которой и находились вышеназванные изделия. Методики подготовки и проведения экспериментов на созданных установках подробно изложены в диссертации.

В четвертой главе представлена информация по температурной зависимости Л оптических кварцевых стекол. На рис. 5 показаны полученные в настоящей работе новые данные по коэффициенту теплопроводности Л оптических кварцевых стекол в интервале температур 600-1500К (сплошная линия 1), а также данные ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, полученные Сергеевым O.A. с сотрудниками (1972г., штриховая линия 2), данные МАИ, полученные Спириным Г.Г. с сотрудниками (1996г., штриховая линия 3) и результаты нашей обработки (кружки) данных ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, которые были опубликованы в табличной форме. Выбор лишь этих работ из -50 известных публикаций по исследованию Л кварцевого стекла, выполненных с 1911г., обусловлен тем, что только в них данные по Л получены на базе решения ОЗТ в условиях РКПЭ. В диссертации доказано, что на установке ВНИИМ им. Д.И. Менделеева были получены заниженные (по сравнению с данными настоящей работы) значения Л оптического кварцевого стекла из-за математической погрешности численного решения ОЗТ в условиях РКПЭ, наличия контактных термических сопротивлений между образцом исследуемого материала и медными нагревателем и холодильником, линеаризации интегрального уравнения РКПЭ и неучета угловой зависимости коэффициента отражения границ. Линия 1 представляет обобщение трех серий измерений коэффициента теплопроводности трех марок (КИ, КВ и КСГ) оптического кварцевого стекла, результаты которых были аппроксимированы полиномами первой степени: Л = 0,65 + 1,58-I0 J-7'относительная погрешность е= 9,5 - 8,4%, температурный интервал 7=600-1 ЮОК; Л = 0,58 + 1,69-10-3-7 е= 16,1 - 12,3%, 7=600-1200К; Л = 0,22

+ 1,90-10'3' Т с 20%, 74 =900-1500К Здесь единицей измерения /1 является Вт/(м-К), а Г - К. Подробности метрологического анализа полученных результатов изложены в диссертации.

А

Вт МК

Ц

2.0

и

¿00 800 1000 1200 то Т,К

Рис. 5. Температурная зависимость коэффициента теплопроводности кварцевого стекла, полученная на основе решения ОЗТ в условиях РК1ТЭ в настоящей работе (сплошная линия I), ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (штриховая линия 2), МАИ (штриховая линия 3), результаты нашей обработки (кружки) данных ВЩШМ им. Д.И. Менделеева, которые опубликованы в табличной форме

На основании литературных данных по эффективному коэффициенту

теплопроводности Л'оптического кварцевого стекла была выполнена (на базе

строго решения ОЗТ в условиях РКПЭ с учетом селективности оптических

свойств ЧПМ и ограничивающих его поверхностей) оценка Л, не отягощенного лучистой составляющей. Это показало, что, хотя расхождения в известных литературных данных по Л* оптического кварцевого стекла достигают сотен процентов, значения истинного коэффициента теплопроводности Л после исключения лучистой составляющей различаются всего лишь на десятки процентов, то есть наблюдается корреляция данных, полученных разными авторами. Обоснована целесообразность использования оптического кварцевого стекла в качестве эталонного вещества А ЧПМ при высоких температурах и эталона качества алгоритмов и программ решения задач РКПЭ. Приведены рекомендуемые значения Л оптического кварцевого стекла в интервале температур 600-1500К.

Пятая глава посвящена исследованию технологического процесса плазменной обработки кварцевых труб с целью повышения их качества. Исследованы параметры процесса ПО КТ: поля температуры, плотности теплового потока и толщины удаленного поверхностного слоя по пятну нагрева, а также влияние мощности плазмотрона и расстояния от него до обрабатываемой поверхности на плотность теплового потока. На основании исследования кинетики процесса абляции на поверхности КТ предложен динамический метод контроля толщины удаленного поверхностного слоя в технологическом процессе ПО КТ, с помощью которого была выполнена плазменная модификация кварцевых труб диаметром 125мм, 150мм и 200мм. Технологический процесс ПО КТ выполняли прн углах атаки от 30 до 45 градусов, мощности плазмотрона 18-25 кВт и параметре 2лКп - от 276 до 1570 мм/с.

В шестой главе рассмотрены методические особенности бесконтактного контроля низкотемпературных изделий с помощью широкоспектральных оптико-электронных систем. Например, систематизированы условия перехода от качественного к количественному тепловому контролю и классифицрованы способы уменьшения отрицательного влияния на результаты контроля излучения фона. Предложен метод перехода от потока собственного электромагнитного излучения изделия к его температуре, предусматривающий наличие эталонного излучателя и интегрирование соответствующего уравнения энергии по спектральному диапазону работы оптико-электронной системы, и выполнен его (метода) метрологический анализ. Впервые исследован метод уменьшения влияния излучения фона при бесконтактном тепловом контроле, предусматривающий измерение отраженного от изделия потока излучения фона (прн охлаждении изделия до температуры 7^,) и его последующее

вычитание из полного-потока излучения. Установлено, что, чем уже спектральный диапазон и меньше его среднее значение длины волны работы ОЭС, тем выше величина Тохл. Например, для излучательной способности изделия и фона, равных 0,6 и 0,9, и /Ы=0,4-1,4мкм, /М=2-5мкм, ¿1/1=0,4-14мкм и /Ц=8-14мкм десятикратное превышение отраженного потока над собственным достигается при Тохл равной 275К, 241К, 190К и 186К, соответственно. Показано, что значительно предпочтительнее использовать ОЭС, работающую в ближнем и сравнительно узком инфракрасном диапазоне, чем в дальнем и/или широком инфракрасном диапазоне.

ВЫВОДЫ

1. Из-за сложного характера спектральной зависимости оптических свойств частично прозрачных материалов экспериментально решить внутреннюю задачу контроля теплового состояния изделия из ЧПМ, то есть определение полей температуры и потоков энергии в нем, чрезвычайно сложно. Поэтому предложено свести внутреннюю задачу контроля к внешней, включающей экспериментальное измерение лишь температуры границ изделия из ЧПМ, а поля температуры и потоки энергии излучением и теплопроводностью в нем рассчитывать в соответствии с феноменологической теорией радиацион-но - кондуктивного переноса энергии.

2. Наличие спектральной области частичной прозрачности у рассматриваемого класса материалов определяет комбинированный перенос энергии в них различными физическими механизмами, оказывающими взаимное влияние. Поэтому значительная часть известных методов и средств контроля теплового состояния изделий не может быть применена для соответствующего контроля изделий из ЧПМ. Более того, практически все известные литературные данные по температурной зависимости коэффициента теплопроводности ЧПМ не могут служить характеристикой самого материала, а значит и не могут быть использованы при контроле теплового состояния соответствующих изделий. Это предопределило необходимость критического анализа методов и средств определения А ЧПМ. На примере германата висмута показано, что использование приближенных методов исключения лучистой составляющей из эффективного коэффициента теплопроводности Л* может приводить к ошибочным значениям, существенно отличающимся от истинных Л, а, следовательно, и к погрешностям расчета полей температуры и потоков энергии соответствующих изделий из ЧПМ.

3. На базе феноменологической теории РКПЭ с использованием классического метода Ньютона и принятием Ть 2 и А в качестве равноправных неизвестных величин предложен эффективный метод численного решения прямой и обратной задач. Отделение граничных условий для закона сохранения энергии от интегрального уравнения РКПЭ позволило реализовать решение (в сером и селективном приближениях с высокой точностью при малых затратах компьютерного времени) задач РКПЭ в плоском слое частично прозрачного материала с контактными, бесконтактными и комбинированными границами. Достоверность алгоритма и программы решения задач РКПЭ подтверждена сопоставлением результатов расчетов АТ,<2 и Л с известными и наиболее точными численными и асимптот ическими решениями.

4. Впервые выполнен метрологический анализ влияния погрешностей определения оптико-физических свойств самого ЧПМ и его границ, а так же экспериментально измеряемых параметров системы на результаты решения прямой и обратной задач РКПЭ в плоском слое ЧПМ с бесконтактными границами. Установлено, что определяющее значение на метрологические параметры решения задачи имеют погрешности определения к, е„, п, е„, Т/ и АТ. Показана консервативность Qv.Hn Т/, например, увеличение Я в три раза изменяет

на 0,05% и 1,2% при излучательной способности холодильника равной 0,1 и 0,97, соответственно.

5. Впервые на базе строгого решения задачи РКПЭ выполнен метрологический анализ традиционного (контактного) метода определения коэффициента теплопроводности частично прозрачных материалов при высоких температурах. Установлено, что с погрешностью, не превышающей одного процента в определении Л, можно проводить линеаризацию интегрального уравнения РКПЭ и замену направленных коэффициентов отражения нагревателя и холодильника на полусферические, в то время как использование вместо направленных коэффициентов отражения нормальных приводит к погрешности в определении А, достигающей шести процентов.

6. Для реализации внешней задачи теплового контроля изделий из ЧПМ предложен новый способ измерения малых разностей высоких температур по регистрации отношения интенсивностей собственного излучения ЧПМ в той спектральной области их сильного поглощения, где коэффициент отражения частично прозрачного материала мал. Градуировка дифференциального инфракрасного пирометра частичного излучения выполнена сравнением с измеренным отношением монохроматических сигналов в видимой обчасш

спектра. Способ позволил выполнить измерение разностей температур между противоположными поверхностями пластины из оптического кварцевого стекла в 30-70К на уровне 1300К с относительной погрешностью 2,4-3,7%.

7. На основе оптимизации обратной задачи теплопроводности в условиях-РКПЭ предложен новый бесконтактный метод определения коэффициента теплопроводности ЧПМ при высоких температурах, позволивший устранить ряд объективных недостатков (контактное термическое сопротивление на границе раздела образца с нагревателем (холодильником) и их химическое взаимодействие и даже взаимную диффузию при высоких температурах и длительном эксперименте, а так же практическую сложность отжига материалов нагревателя и холодильника перед опытом), присущих контактным методам определения Л, а так же поднять высокотемпературный предел определения коэффициента теплопроводности. Разработанный метод позволил исключить измерение в процессе эксперимента температуры образца исследуемого ЧПМ, являющееся далеко нетривиальной процедурой.

8. Разработаны математические модели средств бесконтактного измерения температуры и перепада температуры ЧПМ, основанные на регистрации собственного излучения в спектральной области сильного поглощения ЧПМ, где их коэффициент отражения мал. Созданы специализированные установки для плазменной обработки кварцевых труб и определения при высоких температурах коэффициента теплопроводности бесконтактным методом плоского слоя, в которых использованы инфракрасные пирометры частичного излучения, позволившие повысить метрологические характеристики соответствующих процедур и получить новые закономерности в ранее недоступных областях параметров.

9. Доказана адекватность математической модели РКПЭ условиям, реализованным в экспериментальной установке для исследования прямой и обратной задач РКПЭ, и выбранным оптическим свойствам системы вольфрамовый нагреватель - кварцевое стекло - черный холодильник. Это позволило в интервале температур 600-1500К (причем при температурах 1100-1500К впервые) исследовать температурную зависимость коэффициента теплопроводности оптических кварцевых стекол, имеющих существенно разные спектры поглощения. Установлена независимость коэффициента теплопроводности оптических кварцевых стекол от их марки. Использование трех вариантов решения обратной задачи теплопроводности в условиях РКПЭ позволило осуществить определение коэффициента теплопроводности кварцевых стекол с погрешностью

8-10%. Достоверность полученной информации по Л кварцевого стекла подтверждена данными МАИ, опубликованными в 1996г., то есть после выполнения настоящей работы.

11. Впервые проведено исследование теплофизических параметров процесса плазменной обработки кварцевых труб, например, зависимости Т поверхности К'Г от плотности теплового потока и времени воздействия, а также плотности теплового потока от мощности плазмотрона и расстояния от плазмотрона до КТ. Для дистанционного контроля толщины удаленного слоя с поверхности изделия в процессе его плазменной обработки, являющейся параметром качества обрабатываемого изделия из ЧПМ, разработан динамический метод, реализация которого позволяет управлять и самим технологическим процессом.

12. Систематизированы условия перехода от потока собственного электромагнитного излучения низкотемпературного изделия к его температуре, что позволило разработать новый метод, основанный на сравнении потоков излучения контролируемого изделия и эталонного излучателя, расположенных планарно в поле зрения ОЭС, с последующим вычислением искомой Т. Показано, например, что систематическая погрешность определения Т изделия с излучательной способностью 1 и 0,6 на уровне 400К составляет 0,18% и 1,45% для Л* ОЭС 2-5мкм и 0,34% и 2,82% для АХ ОЭС 8-14мкм, соответственно.

13. Классифицированы методы уменьшения отрицательного влияния излучения фона при бесконтактном контроле теплового состояния низкотемпературных изделий. Впервые исследован метод учета излучения фона, предполагающий измерение отраженного от контролируемого изделия излучения фона и его последующее вычитание из полного потока излучения изделия. Показано, например, что значительно предпочтительнее использовать ОЭС, работающие в ближнем и сравнительно узком инфракрасном участке спектра, чем в дальнем и/или широком инфракрасном участке. Впервые с помощью широкоспектральной ОЭС выполнено измерение температуры (с тщательным метрологическим анализом) силового регулирующего транзистора и поля температуры по поверхности источника вторичного электропитания. Проведенное термографирование изделий конструкционной оптики показало высокую выявляемость дефектов в электропроводящей пленке, а предложенные статистические критерии оценки равномерности температурного поля контролируемого изделия служат их количественному определению.

14. Оптическое кварцевое стекло рекомендовано в качестве эталона для контроля качества алгоритмов и программ численного решения задач РКП'Э Доказано, что оптическое кварцевое стекло может быть и эталонным веществом коэффициента теплопроводности частично прозрачных для теплового из лучения материалов в широком диапазоне температур, в том числе и при высоких температурах.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Битюков В.К., Петров В.А., Степанов C.B. Радиационно-кондуктивныН теплоперенос в плоском слое селективной среды с полупрозрачными границами // Алгоритмы и программы. - 1978. - № 4 (24), П003058. - с. 27.

2. Степанов C.B., Петров В.А., Битюков В.К. Раднационно-кондуктивный теплоперенос в плоском слое селективной среды с полупрозрачными границами II Теплофизика высоких температур. - 1978. - т. 16, № 6. - с.1277-1284.

3. Битюков В.К., Петров В.А., Степанов C.B. Обратная задача теплопроводности для плоского слоя частично прозрачной среды с непрозрачными зеркальными границами //Алгоритмы и программы. -1978. - № 4 (24), П003059. - с. 26.

4. Битюков В.К., Петров В.А., Лиигарт Ю.К. Метод измерения малых разностей высоких температур на плоском слое частично прозрачного материала // Электротехническая промышленность. Серия "Электротермия". - 1979.- В.7(203). - с.6-8.

5. Степанов C.B., Битюков В.К. Прямые дифференциальные методы в теории радиационного и радиационно-кондуктивного теплопереноса // Теплофизика высоких температур. ■ 1979,-т. 17, №2. - с. 417-428.

6. Битюков В.К., Латыев Л.Н., Петров В.А., Степанов C.B. Об определении коэффициента теплопроводности частично прозрачных материалов при высоких температурах II Известия СО АН СССР. Серия технических наук. - 1979.- N913, в.З,-с.53-60.

7. Битюков В.К., Петров В.А.; Резник В.Ю., Степанов C.B. Совместный перенос тепла излучением и теплопроводностью в плоском слое конденсированной среды с полупрозрачными границами //Тепломассообмен-VI. Сложный теплообмен (вклк?чая перенос излучением).- Минск, 1980.- т.2,- с.88-96.

8. Bityukov V.K., Petrov V.A., Stepanov S.V. Contactless Measurement of the Thermal Conductivity of Sem ¡transparent Materials at High Temperatures // High Temperatures - High Pressures.-1980,- V.12, №2,- P.229-236.

9. A. c. 748148 СССР, MKH2G01J5/08. Способ измерения перепада температур на слое полупрозрачного материала и устройство для его осуществления ! В.К. Битюков, В.А. Петров, В.Ю. Резник, C.B. Степанов (СССР). - 4 с.: ил.

Ю.Битюков B.K. Замечания к статье Задвориого А.Г., Кутвицкого В.А., Шагарова Б.А. Теплофизические свойства, германата висмута // .Теплофизика высоких температур.-1981.-т.19, № 1.-с.218-219.

H.A. с. 767631 СССР, MKIPG01№25/18. Способ определения коэффициента теплопроводности частично прозрачных материалов I В.К. Битюков, В.А. Петров, C.B. Степанов (СССР). - 3 е.: ил.

12.Биткжов В.К. Определение теплопроводности кварцевых стекол // Электротехническая промышленность. Серия " Электротермия".- 1981.- В.5 (222).- с.10-11.

1 З.Степанов C.B., Битюков В.К. Радиационно-кондуктнвный теплоперенос в плоском слое слабопоглощающей среды // Теплофизика высоких температур.-1981,-т. 19,№2.-с.352-361.

И.Битюков В.К., Петров В.А., Степанов C.B. Температурная зависимость коэффициента теплопроводности кварцевых стекол в интервале 600-1200IC II Теплофизика высоких температур.-1981.- т.19, №3.- с.661-663.

15.Битюков В.К., Петров В.А., Степанов C.B. Теоретические основы бесконтактного метода определения коэффициента теплопроводности частично прозрачных материалов Н Теплофизика высоких температур,-1981.- т. 19, №4.- с. 849-856.

16.Битюков В.К., Петров В.А. Установка для измерения коэффициента теплопроводности твердых частично прозрачных для теплового излучения материалов // Промышленная теплотехника.-1982,- т. 4, № 1. - с. 72-77.

17.А. с. 1267240 СССР, MKHG01№25/18. Способ определения коэффициента теплопроводности частично прозрачных для теплового излучения материалов / В.К. Битюков, В.А. Петров, C.B. Степанов, А.К. Захаров (СССР). - 4 е.: ил.

18.Битюков В.К., Плесков Б.А. Измерение температуры поверхности кварцевого стекла в процессе его плазмохимической модификации // Химия и технология стекла и ситаллов: Сб. науч. трудов / ГИС.- М., 1983.- с. 87-90.

19.А. с. 1111085 СССР, MKH4G01 N25/72. Способ тепловой дефектоскопии изделия I Н.Д. Куртев, В.К. Битюков, A.B. Смирнов, A.B. Кормушкин (СССР) - 3 с.

20.Битюков В.К., Петров В.А., Степанов C.B. Определение теплопроводности кварцевого стекла бесконтактным методом плоского слоя при температурах 900-1500КII Теплофизика высоких температур.-1983.-Т.21, № 6.- с. 1106-1114.

21.А. с. 1143993 СССР, MKH4G01J5/08. Способ измерения разности температур / Б.А. Плесков, В.К. Битюков, Ф.Б. Вурзель, В.Е. Глезерман (СССР). - 3 е.: ил.

22.Битюков В.К., Степанов C.B., Петров В.А., Лингарт Ю.К., Бодячевский C.B. О Температурных полях в электротермических установках для выращивания фтористого кальция II Электротехническая промышленность. Серия Электротермия". -1983.-В. 2 (240).-с. 7-9.

23.Битюков В.К., Смирнов A.B., Сорокин В.Н. Об оценке равномерности температурного поля поверхности // Тепловидение (системы и применение): Межвуз. сб. на\ч. трудов/Под рел. Н.Д. Куртсва/МИРЭА.- М.. 1984,- с. 141-146.

24.Битюков В.К., Вурзель Ф.Б., Глезерман В.Е., Плесков Б.А. Пирометр для пч (ерения температуры поверхности кварцевого стекла // Промышленная ешютехника.-1984.-т.6, №6,- с.46-49.

25. А. с. 1352332 СССР, MKIl4G01N25/72. Способ неразрушающего контроля еплофизических характеристик материалов изделия ! В.К. Битюков, Б.П. Колес-[иков, Г.М. Серых, В.И. Смыслов, В.Л. Страхов, В.Г. Сысоев, Г.Н. Яшенко (СССР). -е.: ил.

26.Битюков В.К., Масленников А.Л. Тепловизионный метод определения тсм-[ературы тела // Тепловидение. Применение и особенности построения епловизионных систем: Межвуз. сб. науч. трудов / Под ред. Н.Д. Куртева / МИГ'ЭЛ -Л., 1986.-е. 100-103.

27.Вурзель Ф.Б., Битюков В.К., Плесков Б.А. Теплопроводность кварцевого текла при температурах выше 600К // Физика и химия стекла.-1986,- т. 12, №6.-.711-712.

28. А. с. 1183878 СССР, MKH4G01N25/18. Устройство для определения еплофизических характеристик материала / В.Г. Сысоев, Г.Н. Ященко, В.К. >итюков, А.К. Захаров (СССР). - 4 е.: ил.

29.Битнжов В.К. Кварцевое стекло - эталон коэффициента теплопроводности |астично прозрачных материалов // III Всесоюз. научно - технич. конф. "Метро-ютическое обеспечение температурных и теплофизических измерений в области вы-юких температур": Тез. докл.- Харьков, 1986.- с. 236-237.

30.Солинов В.Ф., Битюков В.К., Мильков В.Г. Масленников А.Л., Макаров V.H., Смирнов A.B. Тепловизионный контроль равномерности температурного поля лектрообогревных стекол // Тепловидение. Применение и особенности построения епловизионных систем: Межвуз. сб. науч. трудов / Под ред. Н.Д. Куртева / МИРЭА.-Л., 1986.-е. 125-131.

31-Вурзель Ф.Б., Битюков В.К., Плесков Б.А., Пустильников В.Ю. 1сследование тепло- и массопереноса при плазменной обработке кварцевых труб II 1роцессы получения и применения низкотемпературной плазмы: Сб. науч. трудов / 1ТМО им. A.B. Лыкова АН БССР. - Минск, 1987. - с. 82-100.

32.Биткжов В.К., Масленников А.Л. Градуировка тепловизионной системы типа Ш1-44II Тепловидение. Системы и применение: Межвуз. сб. науч. трудов / Под ред. 1Д. Куртева /МИРЭА.-М., 1988.-е. 81-88.

33.Битюков В.К. Теплоеизионная диагностика электропреобразовательных 'стройств II Тепловидение: Межвуз. сб. науч. трудов / Под ред. Н.Д. Куртева I ^ИРЭА,- М., 1990,- с. 120-130.

34.Вурзель Ф.Б., Плесков Б.А., Битюков В.К. Управление качеством юверхностной обработки материалов на установках с интенсивными источниками шергии // Моделирование и управление в гибких автоматизировании*

производствах и системах автоматического управления: Межвуз. сб. науч. трудов / Под ред. И.М. Макарова/МИРЭА.-М., 1990.-е. 74-81.

35.Вурзель Ф.Б., Плесков Б.А., Битюков В.К. Исследование пространственного распределения температурного поля по поверхности кварцевой трубы // Тепловидение: Межвуз. сб. науч. трудов / Под ред. Н.Д. Куртева ! МИРЭА.-М.,1990,- с.100-107.

36.Битюков В.К. Высокочастотные преобразователи: Учеб. пособие / МИРЭА.-М., 1991.- 80 с.

37.Битюков В.К., Масленников A.J1. Контроль тепловых режимов ИВЭ // Техника средств связи. Серия "Средства вторичного электропитания (СВЭП)".-1991.-В.1.- с.109-114.

38.Битюков В.К. Диагностирование радиоэлектронной аппаратуры по собственному инфракрасному излучению И Известия АН СССР. Техническая кибернетика.-1991,-№2,-с. 227-235.

39.Битюков В.К. Об одном способе учета излучения фона при бесконтактном тепловом контроле // Известия ВУЗов. Приборостроение.-1991.- T.XXXIV, № П.- с. 90-96.

40. А. с. 1654732 СССР, MKH4G01N25/12. Способ измерения температуры изделия / Н.Д. Куртев, В.И. Нефедов, В.К. Битюков, A.A. Журавлев, A.B. Кормушкин (СССР). - 3 е.: ил.

41. А. с. 1654734 СССР, MKH<G01N25/12. Способ измерения температуры / Н.Д. Куртев, В.К. Битюков, В.И. Нефедов, А.Л. Масленников (СССР). - 3 е.: ил.

42.Бипоков В.К., Петров В.А. О выборе спектрального диапазона при измерении частично прозрачных материалов II Тепловидение: Межвуз. сб. науч. трудов / Под ред. Н.Д. Куртева/МИРЭА. - М.,1992. - с. 103-105.

43.А. с. 1728680 СССР, MKH4G01K13/04. Тепловизионное устройство для измерения температуры / В.И. Нефедов, Н.Д. Куртев, В.К. Битюков (СССР). - 3 е.: ил.

44. Патент 1804592 СССР, MKH4G01D9/00. Способ многоканальной регистрации сигналов и устройство для его осуществления / В.К. Битюков (СССР). - 3 е.: ил.

Сокращенна, принятые в автореферате:

АЧТ абсолютно черное тело ОЗТ обратная задача теплопроводности

ИК инфракрасный ОЭС оптико-электронная система

ИКО Изделие конструкционной оптики ПО плазменная обработка

KT кварцевая труба РКПЭ радиационно-кондуктивный перенос энергии

КТС контроль теплового состояния ЧПМ частично прозрачный материат