автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методы и система бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов и изделий

РГ6 од

1 С № ЮТ

На правах рукописи

СЫСОЕВ Эдуард Вячеславович

МЕТОДЫ И СИСТЕМА БЕСКОНТАКТНОГО

НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов 2000

Работа выполнена в Тамбовском государстве!шом техническом универ сптете на кафедре "Криминалистика и информатизация правовой деятель ностп".

Научные руководители: Доктор технических наук, профессор,

заслуженный изобретатель РФ Чернышов Владимир Николаевич; кандидат технических наук, доиент Чернышева Татьяна Ивановна.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Пономарев Сергей Васильевич; кандидат технических наук, доцент Гализдра Владимир Иванович.

Ведущая организация: ОАО "Тамбоврезиноасботехника", г. Тамбов.

Защита диссертации состоится "ос^ г. в

сов на заседании диссертационного совета К 064.20.03 Тамбовского государственного технического университета по адресу: г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, Большой зал.

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просил направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученом} секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТГТУ.

Автореферат разослан

2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А. А. Чуриков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие многих отраслей промышленности требует не только применения уже известных материалов с заданными физико-химическими свойствами, но и создания и применения большого количества новых конструкционных, электроизоляционных, тепло- и хладостойких материалов, обладающих по сравнению с известными более высокими свойствами и эксплуатационными характеристиками. В случаях, когда применение изделий связано с протеканием в них тепловых процессов, необходимо иметь информацию о их теплофизических свойствах (ТФС), так как*/ они являются параметрами, определяющими качество готового изделия. В практике определения ТФС материалов наибольшее развитие и распространение получили тепловые методы неразрушающего контроля (НК), ха-^ растеризующиеся оперативностью и экономичностью. Когда применение контактных методов контроля ТФС затруднено, либо невозможно, то наиболее целесообразно использовать бесконтактные методы оперативного НК, отличительной особенностью которых является высокая оперативность и производительность измерений, перспективы применения в самых различных технологических процессах для контроля качества движущихся или вращающихся объектов, возможность широкого применения в автоматизированных системах управления технологических процессов. Однако достоверность и точность результатов измерения при применении этих методов и средств зависят от выбора точек контроля избыточных температур на поверхности исследуемых объектов в процессе проведения температурно-пространственных измерений и от решения задач, связанных с учетом тепловых потерь в окружающую среду с поверхности контролируемых" мате-'-' риалов и изделий, а гарантия сохранения целостности зависит от задания тепловых режимов при проведении теплофизического эксперимента. Поэтому актуальной задачей является создание методов и средств, позволяющих учесть тепловые потери в окружающую среду с поверхности контролируемых материалов и, тем самым, повысить точность контроля.

Надежность, работоспособность, а в итоге качество готовых изделий в наиболее ответственных отраслях техники (ракетостроение, космическое аппаратостроение, атомная энергетика и т.д.) зависят от теплофизических параметров, так как здесь тепловые режимы в объектах контроля строго регламентируются и получение оперативной информации о теплозащитных параметрах становится уже необходимым условием применения и эксплуатации этих изделий. Поэтому актуальность разработки новых методов, позволяющих решать эту задачу, также не вызывает сомнений.

Связь с государственными программами и НИР. Диссертационная работа выполнялась в рамках реализации следующих государственных программ: межвузовская научно-техническая программа Госкомобразования РСФСР "Неразрушающий контроль и диагностика", раздел 4: "Оптические, радиоволновые и тепловые методы неразрушающего контроля" на 1994 - 1998 гг.; программа Минвуза РФ "Комплексные системы измерений, контроля и испытаний в народном хозяйстве" на 1998 - 2000 гг.; программа министерства образования РФ "Инновации высшей школы и введение интеллектуальной собственности в хозяйственный оборот" по разделу "Инновационные

научно-технические проекты" 2000 г.; программа Миннауки РФ на 2000 -2001 гг. по финансированию научных исследований и экспериментальных разработок, проект "Создание микропроцессорных приборов оперативного неразрушающего контроля термосопрогивления многослойных строительных конструкций с пенополиурстановыми теплозащитными покрытиями", шифр: "Теплогидрощит".

Предмет исследований. Бесконтактные методы и реализующая их микропроцессорная система, позволяющая оперативно и с достаточной точностью осуществлять неразрушающий контроль ТФС твердых материалов и готовых изделий.

Цель работы. Разработка, исследование и внедрение в практику новых бесконтактных методов и реализующей их микропроцессорной системы НК ТФС твердых материалов, позволяющих повысить оперативность и точность контроля ТФС. Для достижения поставленной цели необходимо:

- разработать математическую модель тепловых процессов в исследуемых объектах при бесконтактном тепловом воздействии на них от подвижного точечного источника тепла, учитывающую тепловые потери, оказывающие существенное влияние на температурное поле исследуемых объектов при указанном виде теплового воздействия;

- определить область применения разработанной модели и дать рекомендации по выбору диапазонов и соотношений основных ее параметров, при которых модель адекватна физике тепловых процессов в исследуемых объектах;

разработать и исследовать на основе полученной физико-математической модели новые, более эффективные в метрологическом отношении бесконтактные методы контроля ТФС твердых материалов без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик;

- разработать микропроцессорную систему, реализующую эти бесконтактные методы контроля ТФС твердых материалов;

- провести метрологический анализ методов и системы НК ТФС твердых материалов;

- осуществить экспериментальную проверку результатов работы и внедрить их в промышленное производство.

Методы и методики исследования. Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на аналитической теории теплопроводности, математической физике, математическом моделировании, метрологии и метрологическом эксперименте с использованием эталонных образцов материалов, а также на результатах выполнения научно-исследовательских работ на базах межвузовской лаборатории "Теплофизические измерения и приборы", Тамбовского областного отделения "Российское общество по не-разрушающему контролю и технической диагностике"(РОНКТД), а также ряда промышленных и научно-исследовательских организаций.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основе разработанной математической модели тепловых процессов в исследуемом объекте при бесконтактном тепловом воздействии на него от подвижного точечного источника тепла, разработаны новые бесконтактные методы контроля ТФС, имеющие достаточную для технологического контроля точность, большую оперативность, полную гарантию сохранения це-

лостности объекта исследования и позволяющие существенно уменьшить влияние на результаты измерений состояния поверхности исследуемого объекта, степени ее черноты и тепловых потерь с поверхности, имеющих место при бесконтактном тепловом воздействии от подвижного источника; проведен метрологический анализ разработанных методов на аналитической основе.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе разработанных методов бесконтактного НК ТФС материалов и изделий создана и внедрена в производство микропроцессорная система с соответствующим алгоритмическим, программным и метрологическим обеспечением, позволяющая оперативно и с высокой для теплофизических измерений точностью контролировать ТФС широкого класса материалов и готовых изделий как в лабораторных, так и промышленных условиях. Результаты диссертационной работы приняты к использованию в ОАО "Тамбоврези-ноасботехника" г. Тамбова, а также в учебном процессе ТГТУ.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на XV-й Российской научно-технической конференции "Неразрушающнй контроль и диагностика" (г. Москва, 1999 г.), на Ш-й Международной теплофизической школе "Новое в теплофизических свойствах"( г. Тамбов, 1998г.), на IV-й и V-й научных конференциях ТГТУ (г. Тамбов, 1999, 2000 гг.), на международной научно-технической конференции "Проектирование и эксплуатация электронных средств", (г. Казань-Таганрог, 2000 г.), на международной научно-технической конференции "Информационные технологии в проектировании микропроцессорных систем" ИТ ПМПС-2000 (г. Тамбов, 2000 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, на один из разработанных методов бесконтактного H К ТФС материалов и изделий получено положительное решение о выдаче патента РФ на изобретения, два других метода проходят экспертизу на выдачу патента РФ.

Структура работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение и приложение, изложенные на 155 страницах машинописного текста, 13 рисунках и 30 таблицах. Список литературы включает 75 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показана ее связь с государственными программами и НИР, сформулированы цели и задачи работы. Раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены результаты апробации и реализации работы.

В первой главе проведен информационный обзор и анализ существующих методов и измерительных средств бесконтактного НК ТФС материалов и изделий. Проведенный сравнительный анализ показал, что для контроля качества продукции перспективными являются нестационарные и квазистационарные методы и средства, позволяющие оперативно контролировать необходимые ТФС без нарушения эксплуатационных свойств исследуемых объектов. При этом существующие методы и средства обладают рядом серьезных недостатков, главными из которых являются невысокая точность, обусловленная упрощением математических моделей, описывающих тепло-

вой процесс при бесконтактном тепловом воздействии, неучетом тепловых потерь, имеющих большую величину при бесконтактном тепловом воздействии на открытую поверхность исследуемого объекта, влиянием состояния его поверхности и т.д. В результате проведенного анализа определены цели и задачи исследования.

Во второй главе разработана математическая модель тепловых процессов в исследуемых объектах при бесконтактном тепловом воздействии на них от подвижного точечного источника тепла, учитывающая тепловые потери, оказывающие существенное влияние на температурное поле исследуемых объектов при указанном виде теплового воздействия, а также даны рекомендации по выбору диапазонов и соотношений основных параметров этой модели, при которых она адекватна.

В основу теории разработки большинства методов бесконтактного НК ТФС твердых материалов положено предложенное Н. Н. Рыкалиным уравнение квазистационарного состояния процесса распространения теплоты точечного источника постоянной мощности q, движущегося с постоянной скоростью V по поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела, имеющее следующий вид

где Т(А)- температура в рассматриваемой точке А (рис. 1); X - коэффициент теплопроводности тела; а - коэффициент температуропроводности тела;

точки поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела с координатами (х, у); Тс - температура окружающей среды, т.е. температура материала перед воздействием на него источника тепла.

Однако, исследования показывают, что расчетные значения температур, определяемые по выражению (1), имеют значительные расхождения с реальными значениями. Это объясняется тем, что в этой модели не учитываются тепловые потери, происходящие с открытой поверхности исследуемого объекта в окружающую среду. Кроме того, нет информации о диапазонах изменения параметров ((], V, К) этой модели, при которых она адекватна объекту.

В процессе бесконтактного теплового воздействия на поверхность исследуемого объекта от подвижного источника тепла из-за невозможности теплоизолирования поверхности, с нее в окружающую среду происходят тепловые потери, оказывающие существенное влияние на температурное поле исследуемого объекта при таком виде воздействия. Эти потери обусловлены неполным поглощением тепловой энергии источника тепла поверхностью исследуемого объекта, а также вследствие конвективного и лучистого теплообмена поверхности исследуемого тела с окружающей средой. Кроме того, часть тепла поглощается окружающей средой при прохождении через нее излучения от источника тепла до объекта исследования в результате молекулярного поглощения и рассеяния на частицах пыли и воды, содержащихся в окружающей среде (атмосфере).

(1)

расстояние от точечного источника тепла мощностью д до

Рис. 1 Схема теплового воздействия подвижным точечным источником тепла на поверхность полубесконечного в тепловом отношении тела

С учетом вышесказанного можно записать следующее условие теплового баланса

Яш = 9па + (7отр + Як + % + Ч,

(2)

где 5ИТ - мощность точечного источника тепла; цт - потери тепловой мощности из-за поглощения окружающей средой части энергии излучения источника тепла; дотр - потери тепловой мощности из-за частичного отражения энергии излучения источника тепла поверхностью исследуемого объекта вследствие того, что исследуемый материал имеет коэффициент отражения, отличающийся от нуля; - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного теплообмена; дл - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет лучистого теплообмена; ц - мощность, распространяемая в исследуемом теле за счет кондуктивной теплопроводности.

Используя известные в теории теплопроводности соотношения для каждого из слагаемых выражения (2), после математических преобразований получаем распределение температуры в полубесконечном в тепловом отношении теле при действии на него подвижного точечного источника теплоты с учетом тепловых потерь с поверхности тела в окружающую среду в следующем виде

т-

У(Я-х)

2 а .

-+тс,

(3)

+

К+ал)5

где е - степень черноты тела; (5 - коэффициент прозрачности окружающей среды; ак - коэффициент конвективного теплообмена; ал - коэффициент лучистого теплообмена; 5 - площадь теплоотдающей поверхности.

Как видно из выражения (3), появившиеся в математической модели параметры (е, р, ак, ал, значительно влияют на температурное поле поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела при действии на него подвижного точечного источника тепла.

Так как эти параметры весьма трудно измерить с требуемой для теп-лофизического эксперимента точностью, то основной задачей при разработке бесконтактных методов неразрушающего контроля ТФС материалов является уменьшение и, если возможно, устранение влияния этих параметров на результаты измерений при определении искомых свойств.

Адекватность как модели (1), так и модели (3) зависит от правильного задания диапазонов изменения следующих основных ее параметров: расстояние Я от пятна источника тепла до рассматриваемой точки тела, скорость перемещения V и радиус г0 пятна точечного источника тепла. Первый параметр определяет выбор точки контроля, а остальные два параметра -степень теплового воздействия на исследуемый объект.

Исследования показали, что расчетные значения температур, определяемые по модели (3) на расстояниях Я, близких по значению к радиусу г0 пятна точечного источника тепла, имеют большие расхождения с реальными значениями температур даже при малых тепловых потерях. Это объясняется тем, что при таких расстояниях Я источник тепла нельзя рассматривать как точечный источник. В этой области значения температур получаются при решении уравнения теплопроводности уже в рамках модели кругового источника тепла. Показано, что модель (3) адекватно описывает процесс распространения тепла в исследуемом теле при значениях расстояния Я от источника теплоты до рассматриваемой точки тела, большем, чем десятикратное значение диаметра пятна (2г0) точечного источника.

Кроме того, большое влияние на температурное поле оказывают значения скорости V, радиуса г0 пятна точечного источника тепла и коэффициента температуропроводности а исследуемого тела. Исследования показали, что если выполняется неравенство Уг0/а < 1, то источник тепла можно считать медленно движущимся, а его температурное поле определяется по выражению (3). С увеличением скорости перемещения источника нагрева тепловой эффект воздействия излучения ослабевает и максимум температуры сдвигается в сторону, противоположную направлению перемещению источника тепла. В этом случае при переходе к мощному быстродвижуще-муся источнику, когда Уг0/а »1, уравнение распределения температуры в полубесконечном в тепловом отношении теле имеет другой вид, показывающий, что тепловые потоки в направлении, параллельном оси Ох, незначительны по сравнению с тепловыми потоками в направлениях, параллельных осям Оу и Ог.

С учетом вышесказанного математическая модель (3) записывается в следующем виде:

Фя«

2пХЛехр

У(Я-х) 2 а .

+ К+ссл)5

Я>20г0, Уг0/а< 1.

Полученные диапазоны изменения основных параметров модели (3) учитываются непосредственно при реализации разрабатываемых бесконтактных методов неразрушающего контроля ТФС материалов.

Разработанная математическая модель положена в основу создания новых методов и системы бесконтактного НК ТФС твердых материалов.

В третьей главе представлены разработанные бесконтактные методы НК ТФС твердых материалов.

В первом разделе этой главы описан новый метод бесконтактного оперативного НК ТФС материалов и готовых изделий, отличающийся высокой производительностью измерений и точностью, обусловленной существенным уменьшением влияния на результаты измерений тепловых потерь с поверхности исследуемых объектов в окружающую среду.

Сущность разработанного метода заключается в следующем. На рисунке 2 приведена схема расположения и движения точечного источника тепловой энергии (лазера) и двух термоприемников относительно исследуемого образца в процессе измерения. Над исследуемым изделием 1 помещают точечный источник тепловой энергии 2 и термоприемники 3 и 4, сфокусированные в точках поверхности, подверженной тепловому воздействию. В качестве точечного источника тепловой энергии используется лазер, сфокусированный на поверхность исследуемого образца. В качестве термоприемников могут использоваться первичные измерительные преобразователи (напр.: датчик инфракрасного излучения "ПМ-4"), осуществляющие контроль температуры поверхности изделия по электромагнитному излучению. Причем, источник энергии 2 и термоприемник 3 жестко связаны друг с другом и представляют собой измерительную головку. Термоприемник 3 установлен от источника 2 на расстоянии Термоприемник 4 фокусируют в точку на линии движения источника тепла на расстоянии хн = Л, от центра пятна нагрева. Включают источник энергии и начинают перемещение его и термоприемников над исследуемым изделием с постоянной скоростью V. Затем постепенно смещают термоприемник 4 из точки хи по линии движения источника в сторону отставания, увеличивая отставание на расстояние Ах = к[ 7!(х) - Т2], где Т2 - значение избыточной температуры, измеряемое термоприемником 3, Г;(х) - значение избыточной температуры, измеряемое термоприемником 4; к - коэффициент пропорциональности.

Изменение расстояния между точкой измерения температуры термоприемником 4 и точкой подвода теплоты осуществляют до тех пор, пока измеряемая избыточная температура Т\{х) не станет равной значению измеряемой температуры Т2, т.е. 7\(х) = Т2. При этом измеряют значение расстояния Ях1 между термоприемником 4 и точкой подвода теплоты. Затем, увеличив мощность источника в два раза, повторяют вышеописанные процедуры измерения, сравнивая измеряемую термоприемником 4 избыточную температуру 71*(х) с избыточной температурой ^(х), измеренной им при первоначальной мощности. В результате измеряют значение расстояния Ях2, при котором выполняется равенство контролируемых избыточных температур Г,(х) и ^'(х), а искомые ТФС определяют по следующим соотношениям:

а =

21п

Я

х =

2пТ;(х)[Кх2~]1х1}'

(5)

(6)

где - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки Щ на линию движения источника тепла, [м]; дш - мощность источника тепла (лазера), [Вт]; Т]*(х) - значение избыточной температуры в точке на расстоянии Ях2 от центра пятна нагрева при мощности источника 2дш.

Рис. 2 Схема расположения и движения точечного источника энергии и термоприемников относительно исследуемого образца

Предложенный метод позволяет значительно уменьшить влияние потерь тепловой мощности в окружающую среду на результаты измерений искомых теплофизических свойств, что существенно повышает метрологический уровень разработанного метода. Использование второго термоприемника, в сравнении с известными методами, позволяет сократить число проводимых измерительных процедур, что приводит к уменьшению времени определения теплофизических свойств материалов.

Однако в этом бесконтактном методе нет рекомендаций по выбору точек контроля избыточных температур и по заданию тепловых режимов теп-лофизического эксперимента, что в условиях недостаточной априорной информации о ТФС объектов измерения снижает точность этого метода и может привести к разрушению исследуемых объектов.

В следующем разделе этой главы рассматривается бесконтактный адаптивный метод НК ТФС материалов, позволяющий устранить эти недостатки за счет адаптивного выбора мощности теплового воздействия на иссле-

дуемый объект и адаптивного поиска оптимальных в метрологическом отношении точек контроля температуры.

Сущность метода заключается в следующем. Над исследуемым изделием 1 помещают точечный источник тепловой энергии 2 и термоприемник 3, сфокусированный на поверхность, подверженной тепловому воздействию, и регистрирующий температуру этой поверхности по ее электромагнитному излучению (рис. 3). Термоприемник, установленный на высоте I от поверхности исследуемого образца, жестко связан с экраном 4, расположенного с зазором от поверхности образца на высоте

Рис. 3 Схема расположения и движения точечного источника энергии и термоприемника относительно исследуемого образца

Фокусируют термоприемник 4 в центр пятна нагрева. Включают источник энергии с начальной минимальной мощностью Измерение избыточной температуры в центре пятна нагрева производят в моменты времени, когда окно термоприемника открыто, а лазерный луч перекрыт обтюратором 5. Постепенно увеличивают мощность источника тепла и синхронно с перекрытием лазерного луча измеряют избыточную температуру в центре пятна нагрева. Увеличение мощности источника энергии осуществляют до тех пор, пока измеряемая температура в центре пятна нагрева не приблизится к 0,8 температуры термодеструкции 7терм исследуемого материала. При этом фиксируют значение мощности источника

Далее фокусируют термоприемник в точку поверхности исследуемого объекта на линии, перпендикулярной линии движения источника тепла и проходящей через центр пятна нагрева на расстоянии Л0 от него, и начинают перемещение источника энергии и термоприемника над исследуемым изделием с начальной скоростью К0. Значение расстояния берется таким, чтобы при расположении термоприемника на высоте г от поверхности исследуемого образца, а экрана - на высоте го, отсутствовало влияние источника энергии на результаты измерений температуры вследствие прямого воздействия на термоприемник частично отраженного от поверхности объекта лазерного луча. Затем постепенно смещают термоприемник из началь-

ной точки контроля Яо по линии, параллельной линии движения источника энергии, в сторону отставания до тех пор, пока контролируемая избыточная температура в точке ее регистрации не достигнет максимального значения. При этом измеряют значение расстояния между центром пятна нагрева и проекцией точки контроля температуры на линию движения источника тепла и определяют значение расстояния Яу между точкой подвода теплоты

и точкой контроля температуры: = ^х^ + Л^ .

Далее постепенно увеличивают мощность источника энергии q на величину

Л<? = ВДадГ чт, где Тзял1 - заданное значение избыточной температуры, величина которой задается в диапазоне 20 - 30 % от температуры термодеструкции рм исследуемого материала; Т(Я{) - значение избыточной температуры в точке контроля, расположенной на расстоянии Ях от центра пятна нагрева; к2 -коэффициент пропорциональности.

Изменение мощности источника энергии q осуществляют до тех пор, пока измеряемая избыточная температура Т\Я\) не окажется в пределах заданного диапазона от температуры (например, от 0,8-Гзад1 до 7^1). При этом измеряют значение мощности источника энергии

Затем плавно изменяют скорость движения У термоприемника и источника энергии в соответствии с зависимостью

У,+1 = К-АК

где Д У= к31Т^ - ЦЩ + к4[Тзад1 - ЦУ1)\[У1Л - У,} + к5[Т.т1 - ДЮИКч -- УЦ, к-з, кА, /с5 - коэффициенты пропорциональности.

Изменение скорости движения К осуществляют до тех пор, пока измеряемая в точке контроля Я[ избыточная температура 71 У,) не станет равной заданному значению температуры Гзад1 При этом измеряют значение скорости движения Уу.

Затем, увеличив заданное значение избыточной температуры Тзад1 в два раза (Т'зздг = 2Гзад1), повторяют вышеописанные процедуры измерения.

В результате определяют значения параметров с\2 и У2, при которых выполняется вышеуказанное соотношение контролируемых избыточных температур, а искомые ТФС определяют по следующим соотношениям:

а-

(Г,-ГДО,-*,).

21п 2д1

Лг \

(7)

Чг

ехр

У21*{2д11д2) Ух-У2

(8)

Предложенный метод в соответствии с алгоритмом измерений позволяет проводить адаптивный поиск оптимальных в метрологическом отношении расстояния от источника энергии до точки контроля температуры,

так как в процессе проведения измерений производится поиск самых теп-лонагруженных точек на поверхности исследуемых объектов и контролируются в этих точках максимальные по уровню температуры, что уменьшает относительную погрешность измерений, а следовательно, повышает точность разработанного метода.

Представленный здесь бесконтактный метод позволяет адаптивно выбрать такую мощность теплового воздействия на исследуемый объект, при которой избыточная температура в самых теппонагруженных точках не превышает температуру термодеструкции исследуемого материала, что полностью исключает возможность разрушения исследуемых изделий в лроцессе измерений.

В заключительном разделе этой главы рассмотрен новый метод бесконтактного НК ТФС с коррекцией влияния степени черноты исследуемых материалов на результаты измерений, позволяющей повысить точность контроля и расширить функциональные возможности предложенного метода по диапазонам и классам исследуемых материалов. Этот метод разработан в предположении, что значение степени черноты исследуемого образца по всей его поверхности практически одинаково.

Сущность разработанного метода заключается в следующем. На рисунке 4 приведена схема расположения и движения точечного источника энергии и термоприемника относительно исследуемого образца в процессе измерения. Над исследуемым изделием 1 помещают точечный источник тепловой энергии 2 и два термоприемника 3 и 4, сфокусированных на поверхность, подверженной тепловому воздействию. Причем, источник энергии 2 и термоприемник 3 жестко связаны друг с другом и представляют собой измерительную головку. Термоприемники, установленные на высоте I от поверхности исследуемого образца, жестко связаны соответственно с экранами 5 и 6, расположенных с зазорами от поверхности образца на высоте гь. Термоприемник 3 установлен от источника 2 на расстоянии Лъ при котором с учетом экрана 5 отсутствует влияние источника энергии на результаты измерений температуры вследствие прямого воздействия на термоприемник частично отраженного от поверхности объекта лазерного луча. Перемещение термоприемника 4 осуществляется по оси х, а термоприемника 3 - по параллельной ей прямой А.

4 6 3 1 5 2 7

термоприемников относительно исследуемого образца

Вначале перемешают термоприемник 4 над исследуемым образцом без воздействия на него точечного источника энергии и измеряют им температуру на поверхности исследуемого объекта. Синхронно с этим, используя высокоточный электрический термометр, измеряют температуру окружающей среды. В результате этого, используя отношение средней температуры, измеренной термоприемником на поверхности объекта, к средней температуре окружающей среды, определяется коэффициент к, учитывающий значения степени черноты е поверхности исследуемого образца и прозрачности Р окружающей среды, разделяющей поверхность исследуемого образца и приемно-излучательные блоки измерительной системы.

Далее фокусируют термоприемник 4 в центр пятна нагрева и аналогично второму методу определяют мощность источника тепла при которой значение контролируемой температуры в центре пятна нагрева приблизится к 0,4 температуры термодеструкции Гтсрм исследуемого материала.

Затем фокусируют термоприемник 4 в точку на линии движения источника тепла на расстоянии х„ — Я[ от центра пятна нагрева и начинают перемещение источника энергии и термоприемников над исследуемым изделием с постоянной скоростью V.

Затем постепенно смещают термоприемник 4 из точки хн по линии движения источника в сторону отставания в соответствии с зависимостью

хт = */+ Л*,

гдеДх= ^[ВД - Т2] + к2[Т1(х) - Т2][х,-хы] + к^Т^х) -Т2]/[хг хн]; Т^х) - значение избыточной температуры, измеряемое термоприемником 4; Т2 - значение избыточной температуры, измеряемое термоприемником 3; ки к2, - коэффициенты пропорциональности, значения которых в основном определяются диапазоном изменения ТФС исследуемых материалов.

Изменение расстояния между точкой измерения температуры термоприемником 4 и точкой подвода теплоты осуществляют до тех пор, пока измеряемая избыточная температура 7\(х) не станет равной значению измеряемой температуры Т2, т.е. Г\(х) = Т2. При этом измеряют значение расстояния Ях\ между термоприемником 4 и точкой подвода теплоты. Затем, увеличив мощность источника в два раза, повторяют вышеописанные процедуры измерения, сравнивая измеряемую термоприемником 4 избыточную температуру Ту (х) с избыточной температурой (х), измеренной им при первоначальной мощности. В результате измеряют значение расстояния Ях2, при котором выполняется равенство контролируемых избыточных температур Г](х) и Т{{х), а искомые ТФС определяют по следующим соотношениям:

(9)

21п

1*1 \

где к = ер.

кдтШ~]

к =- , V--т> (10)

Разработанный метод отличается от предыдущих двух .методов тем, что в нем термоприемник вначале перемещается над образцом без воздействия на него точечного источника энергии (лазера), в результате чего определяется коэффициент к, учитывающий значения степени черноты с поверхности исследуемого образца и прозрачности (3 окружающей среды, разделяющей поверхность исследуемого образца и приемно-излучательные блоки измерительной системы. Коэффициент к определяется в предположении, что значение степени черноты с исследуемого образца по всей его поверхности практически одинаково. Это позволяет почти полностью устранить влияние степени черноты исследуемых материалов на результаты измерений, что повышает точность контроля и расширяет функциональные возможности предложенного метода по диапазонам и классам исследуемых материалов.

В четвертой главе дано описание микропроцессорной системы, реализующей разработанные методы (рис. 5).

Представлены рекомендации по выбору типов источника тепла и термоприемников при разработке измерительных систем, реализующих бесконтактные методы НК ТФС материалов. Приводятся алгоритмы работы измерительной системы, позволяющих максимально автоматизировать весь процесс измерения. Реализация всех трех разработанных методов НК ТФС стала возможна благодаря применению гибкой архитектуры микропроцессорной системы контроля.

Рис. 5 Схема микропроцессорной системы, реализующей разработанные методы

В пятой главе проведен анализ погрешности результатов измерений по разработанным бесконтактным методам на базе аналитических соотношений, полученных с использованием математических моделей объектов и процедур измерений. Для этих методов контроля ТФС получены структуры полной погрешности измерений, проведена оценка вклада каждой компоненты в соответствующую характеристику указанной погрешности и выделены доминанты в составе полной погрешности. Подобный подход создает предпосылки для целенаправленного воздействия на источники погрешности, а также коррекции результатов измерений.

Проведена оценка метрологической надежности наиболее ответственных блоков системы НК ТФС, которыми являются аналоговые блоки измерительного канала. Были рассмотрены два их типовых варианта, из которых был выбран наиболее надежный в метрологическом отношении, обладающий повышенным метрологическим ресурсом. В данном блоке были определены и заменены наиболее ненадежные с метрологической точки зрения элементы схемы. Произведенный расчет и замена позволили повысить метрологический ресурс всей разработанной системы НК ТФС.

В заключительном разделе этой главы приведены результаты экспериментальных исследований бесконтактных методов и микропроцессорной системы НК ТФС материалов на основе метрологического эксперимента.

Для проведения метрологического эксперимента были выбраны материалы, ТФС которых в настоящее время хорошо изучены. В качестве образцов использовались полиметилметакрилат (ПММ), рипор, стекло ТФ-1 и мрамор. На основе метрологического эксперимента получена информация о погрешностях результатов измерений и их характеристиках, что позволило провести сравнительный метрологический анализ разработанных методов и системы НК ТФС материалов.

Проведенные экспериментальные исследования бесконтактных методов и микропроцессорной системы НК ТФС твердых материалов подтвердили корректность основных теоретических выводов, положенных в основу создания этих методов и системы, а также эффективность их практического применения в области теплофизических измерений. Результаты этих исследований дали возможность определить области наиболее целесообразного использования разработанных методов и системы НК ТФС по диапазонам и классам исследуемых материалов.

В приложении приведены экспериментальные данные по влиянию основных параметров разработанной модели на ее адекватность; компьютерная программа и результаты математического моделирования тепловых потерь, происходящих с поверхности исследуемого объекта при бесконтактном тепловом воздействии на нее от подвижного источника тепла; компьютерные программы и результаты выделения доминант в бесконтактных методах НК ТФС материалов; экспериментальные данные; акты о внедрении результатов работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1 Разработана математическая модель тепловых процессов в исследуемых объектах при бесконтактном тепловом воздействии на них от подвижного точечного источника тепла, учитывающая тепловые потерн, оказывающие существенное влияние на температурное поле исследуемых объектов при указанном виде теплового воздействия.

2 Определена область применения разработанной модели и даны рекомендации по выбору диапазонов и соотношений основных ее параметров, при которых модель адекватна физике тепловых процессов в исследуемых объектах.

3 Разработаны на основе полученной математической модели новые, более эффективные в метрологическом отношении бесконтактные методы контроля ТФС твердых материалов без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик. Среди которых:

- метод бесконтактного оперативного НК ТФС материалов и готовых изделий, отличающийся высокой производительностью измерений и точностью, обусловленной существенным уменьшением влияния на результаты измерений тепловых потерь с поверхности исследуемых объектов в окружающую среду;

- бесконтактный адаптивный метод НК ТФС материалов, имеющий высокую точность и полную гарантию сохранения целостности и эксплуатационных характеристик исследуемых объектов в условиях ограниченной априорной информации об их свойствах;

- метод бесконтактного НК ТФС с коррекцией влияния степени черноты исследуемых материалов на результаты измерений, позволяющей повысить точность контроля и расширить функциональные возможности предложенного метода по диапазонам и классам исследуемых материалов.

4 Проведен анализ погрешности результатов измерений по разработанным бесконтактным методам на базе аналитических соотношений, полученных с использованием математических моделей объектов измерений. Для названных выше методов контроля ТФС получены структуры полной погрешности измерений, проведена оценка вклада каждой компоненты в соответствующую характеристику указанной погрешности и выделены доминанты в составе полной погрешности. Подобный подход создает предпосылки для целенаправленного воздействия на источники погрешности, а также коррекции результатов измерений.

5 Проведена оценка метрологической надежности наиболее ответственных блоков системы НК ТФС. Были рассмотрены два их типовых варианта, из которых был выбран наиболее надежный в метрологическом отношении. Произведенный расчет и замена позволили повысить метрологический ресурс всей разработанной системы НК ТФС.

6 Разработана и внедрена в производство микропроцессорная система, реализующая новые методы бесконтактного НК ТФС твердых материа-

лов, позволяющая в автоматическом режиме провести эксперимент, внести необходимую коррекцию и выполнить расчет искомых ТФС, представить результаты измерений в удобной форме.

7 Проведены экспериментальные исследования разработанных методов неразрушающего контроля ТФС и реализующих их микропроцессорной системы. Результаты метрологических экспериментов показали корректность и эффективность разработанных методов.

1 Чернышов В. Н., Сысоев Э. В. Метод бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и готовых изделий // Контроль. Диагностика. - М., 1999. - № 7 (13). - С. 28 - 30.

2 Чернышов В. Н., Сысоев Э. В. Бесконтактный адаптивный метод неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов // Контроль. Диагностика. - М., 2000. - № 2 (20). - С. 31 - 34.

3 Чернышов В. Н., Сысоев Э. В. Бесконтактный метод неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов и изделий // IV научная конференция. Краткие тез. докл. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 1999. - С. 214.

4 Сысоев Э. В., Чернышов В. Н. Бесконтактный метод оперативного определения теплофизических свойств материалов // Труды ТГТУ: Сб. научных статей молодых ученых и студентов. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 1999. Вып. 4. - С. 17 - 21.

5 Чернышов В. Н., Селезнев А. В., Терехов А. В., Сысоев Э. В. Метод неразрушающего контроля теплофизических свойств строительных материалов и изделий // Неразрушающий контроль и диагностика: Тез. докл. XV Российской научно-техническая конференции. М., 1999. - С. 252.

6 Патент № 2000100136. Бесконтактный адаптивный способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов / В. Н. Чернышов, Т. И. Чернышева, Э. В. Сысоев. - Заявл. 5.01.2000; Опубл.

7 Чернышов В. Н., Сысоев Э. В. Метод бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов // Международная научно-техническая конференция "Проектирование и эксплуатация электронных средств": Тез. докл. - Казань-Таганрог: Изд-во Казанского, гос. техн. ун-та, 2000. - С. 152.

8 Сысоев Э. В., Чернышов В. Н. Математическая модель тепловых процессов в исследуемом объекте при проектировании микропроцессорных систем бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов // Международная научно-техническая конференция "Информационные технологии в проектировании микропроцессорных систем" ИТ ПМПС-2000: Тез. докл. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2000. - С. 109 - 112.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

17.10.99.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ БЕСКОНТАКТНОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТФС

МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ.

1.1 Обзор и анализ методов и измерительных средств бесконтактного неразрушающего контроля ТФС твердых материалов.

1.2 Постановка задачи исследования.

1.3 Выводы.

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ИССЛЕДУЕМЫХ ОБЪЕКТАХ ПРИ БЕСКОНТАКТНОМ ТЕПЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НИХ ОТ ПОДВИЖНОГО ТОЧЕЧНОГО ИСТОЧНИКА ТЕПЛА.

2.1 Математическая модель температурного поля с учетом тепловых потерь в окружающую среду

2.2 Адекватность математической модели температурного поля в зависимости от области изменений основных ее параметров.

2.3 Выводы.

3 БЕСКОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТФС МАТЕРИАЛОВ.

3.1 Метод бесконтактного оперативного неразрушающего контроля ТФС материалов.

3.2 Бесконтактный адаптивный метод неразрушающего контроля ТФС материалов.

3.3 Метод бесконтактного неразрушающего контроля ТФС с коррекцией влияния степени черноты исследуемых материалов.

3.4 Выводы.

4 МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА БЕСКОНТАКТНОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТФС МАТЕРИАЛОВ.

4.1 Общие рекомендации по выбору типов источника тепла и термоприемников при разработке систем, реализующих бесконтактные методы неразрушающего контроля ТФС материалов.

4.2 Микропроцессорная система бесконтактного неразрушающего контроля ТФС материалов.

4.2.1 Алгоритм работы микропроцессорной системы, реализующей оперативный метод.

4.2.2 Алгоритм работы микропроцессорной системы, реализующей адаптивный метод.

4.2.3 Алгоритм работы микропроцессорной системы, реализующей метод с коррекцией влияния степени черноты исследуемых материалов.

4.3 Выводы.

5 МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БЕСКОНТАКТНЫХ МЕТОДОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТФС МАТЕРИАЛОВ.

5.1 Анализ погрешностей разработанных методов.

5.1.1 Анализ погрешности оперативного метода.

5.1.2 Анализ погрешности адаптивного метода.

5.1.3 Анализ метода с коррекцией влияния степени черноты исследуемых материалов.

5.2 Исследование метрологической надежности измерительной системы бесконтактного неразрушающего контроля ТФС материалов

5.2.1 Выбор нормируемой метрологической характеристики

5.2.2 Прогнозирование метрологического ресурса первого варианта ПИП.

5.2.3 Прогнозирование метрологического ресурса второго варианта ПИП.

5.2.4 Повышение метрологического ресурса ПИП.

5.3 Экспериментальные исследования методов и измерительной системы бесконтактного неразрушающего контроля ТФС материалов

5.4 Выводы.

Развитие многих отраслей промышленности требует не только применения уже известных материалов с заданными физико-химическими свойствами, но и создания и применения большого количества новых конструкционных, электроизоляционных, тепло- и хладостойких материалов, обладающих по сравнению с известными более высокими свойствами и эксплуатационными характеристиками. Сложность и большой объем экспериментальных исследований по определению качества, долговечности и надежности синтезированных материалов, а также готовых изделий, требует как совершенствования традиционных, так и создания новых эффективных методов и средств контроля.

Актуальность работы

В случаях, когда применение изделий связано с протеканием в них тепловых процессов, необходимо иметь информацию о их теплофизических свойствах (ТФС), т.к. они являются параметрами, определяющими качество готового изделия. В практике определения ТФС материалов наибольшее развитие и распространение получили тепловые методы неразрушающего контроля (НК), характеризующиеся оперативностью и экономичностью. Когда применение контактных методов контроля ТФС затруднено, либо невозможно, то наиболее целесообразно использовать бесконтактные методы оперативного НК, отличительной особенностью которых является высокая оперативность измерений, перспективы применения в самых различных технологических процессах для контроля качества движущихся или вращающихся объектов, возможность широкого применения в автоматизированных системах управления технологических процессов. Однако достоверность и точность результатов измерения при применении этих методов и средств зависят от выбора точек контроля избыточных температур на поверхности исследуемых объектов в процессе проведения температурно-пространственных измерений и от решения задач, связанных с учетом тепловых потерь в окружающую среду с поверхности контролируемых материалов и изделий, а гарантия сохранения целостности зависит от задания тепловых режимов при проведении теплофизического эксперимента. Поэтому актуальной задачей является создание методов и средств, позволяющих учесть тепловые потери в окружающую среду с поверхности контролируемых материалов и, тем самым, повысить точность контроля.

Кроме того, как известно, теплофизические измерения отличаются сложностью и трудоемкостью проведения измерительного эксперимента. Поэтому разработка новых бесконтактных методов и реализующих их систем на базе микропроцессорной техники, позволяющих автоматизировать процесс контроля, повысить точность, оперативность, гарантирующих сохранение целостности исследуемых объектов, является актуальной задачей.

Надежность, работоспособность, а в итоге качество готовых изделий в наиболее ответственных отраслях техники (ракетостроение, космическое аппаратостроение, атомная энергетика и т. д.) зависят от теплофизических параметров, так как здесь тепловые режимы в объектах контроля строго регламентируются и получение оперативной информации о теплозащитных параметрах становится уже необходимым условием применения и эксплуатации этих изделий. Поэтому актуальность разработки новых методов, позволяющих решать эту задачу, также не вызывает сомнений.

Связь с государственными программами и НИР

Диссертационная работа выполнялась в рамках реализации следующих государственных программ: межвузовская научно-техническая программа Госкомобразования РСФСР "Неразрушающий контроль и диагностика", раздел 4: "Оптические, радиоволновые и тепловые методы неразрушаю-щего контроля" на 1994 - 1998г.г.; программа Минвуза РФ "Комплексные системы измерений, контроля и испытаний в народном хозяйстве" на 1998 -2000 гг.; программа министерства образования РФ "Инновации высшей школы и введение интеллектуальной собственности в хозяйственный оборот" по разделу "Инновационные научно-технические проекты" 2000 г.; программа Миннауки РФ на 2000 - 2001 гг. по финансированию научных исследований и экспериментальных разработок, проект "Создание микропроцессорных приборов оперативного неразрушающего контроля термосопротивления многослойных строительных конструкций с пенополиуретановыми теплозащитными покрытиями", шифр: "Теплогидрощит".

Цель работы

Разработка, исследование и внедрение в практику новых бесконтактных методов и реализующей их микропроцессорной системы НК ТФС твердых материалов, позволяющих повысить оперативность и точность контроля ТФС.

Основные задачи работы

Для достижения поставленной цели необходимо:

- провести литературный обзор существующих методов и средств бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств;

- разработать математическую модель тепловых процессов в исследуемых объектах при бесконтактном тепловом воздействии на них от подвижного точечного источника тепла, учитывающую тепловые потери, оказывающие существенное влияние на температурное поле исследуемых объектов при указанном виде теплового воздействия;

- определить область применения разработанной модели и дать рекомендации по выбору диапазонов и соотношений основных ее параметров, при которых модель адекватна физике тепловых процессов в исследуемых объектах;

- разработать и исследовать на основе полученной физико-математической модели новые, более эффективные в метрологическом отношении бесконтактные методы контроля ТФС твердых материалов без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик;

- разработать микропроцессорную систему, реализующую эти бесконтактные методы контроля ТФС твердых материалов;

- провести метрологический анализ методов и системы НК ТФС твердых материалов;

- осуществить экспериментальную проверку результатов работы и внедрить их в промышленное производство.

Методы и методики исследования

Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на аналитической теории теплопроводности, математической физике, математическом моделировании, метрологии и метрологическом эксперименте с использованием эталонных образцов материалов, а также на результатах выполнения научно-исследовательских работ на базах межвузовской лаборатории "Теплофизические измерения и приборы", Тамбовского областного отделения "Российское общество по неразрушающему контролю и технической диагностике" (РОНКТД) при Тамбовском государственном техническом университете, а также ряда промышленных и научно-исследовательских организаций.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основе разработанной математической модели тепловых процессов в исследуемом объекте при бесконтактном тепловом воздействии на него от подвижного точечного источника тепла разработаны новые бесконтактные методы контроля ТФС, имеющие достаточную для технологического контроля точность, большую оперативность, полную гарантию сохранения целостности объекта исследования и позволяющие существенно уменьшить влияние на результаты измерений состояния поверхности исследуемого объекта, степени ее черноты и тепловых потерь с поверхности, имеющих место при бесконтактном тепловом воздействии от подвижного источника; проведен метрологический анализ разработанных методов на аналитической основе.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе разработанных методов бесконтактного НК ТФС материалов и изделий создана и внедрена в производство микропроцессорная система с соответствующим алгоритмическим, программным и метрологическим обеспечением, позволяющая оперативно и с высокой для теплофизических измерений точностью контролировать ТФС широкого класса материалов и готовых изделий как в лабораторных, так и промышленных условиях.

Реализация результатов работы заключается в создании и внедрении при непосредственном участии автора измерительной системы бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и изделий. Результаты диссертационной работы приняты к использованию в ОАО "Тамбоврезиноасботехника" (г. Тамбов, 1999 г.) и ООО "ТАМАК" (г. Тамбов, 1999 г.).

Апробация работы

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на ХУ-ой Российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" (г. Москва, 1999г.), на Ш-ей Международной теплофизической школе "Новое в теплофизических свойствах"( г. Тамбов, 1998г.), на 1У-ой и У-ой научных конференциях ТГТУ(г. Тамбов, 1999, 2000 гг.), на международной научно-технической конференции "Проектирование и эксплуатация электронных средств", (г. Казань-Таганрог, 2000 г.), на международной научно-технической конференции "Информационные технологии в проектировании микропроцессорных систем" ИТ ПМПС-2000 (г. Тамбов, 2000 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, на один из разработанных методов бесконтактного НК ТФС материалов и изделий получено положительное решение о выдаче патента РФ на изобретения, два других метода проходят экспертизу на выдачу патента РФ.

Личный вклад автора

Во всех работах, опубликованных в соавторстве, при непосредственном участии автора были разработаны основные идеи методов, получены аналитические выражения и теоретические результаты, предложено математическое обеспечение алгоритмов измерения и структур аппаратных средств, проведены теплофизические эксперименты и осуществлено доказательство достоверности полученных результатов и эффективности использования предложенных методов и микропроцессорной системы.

Структура работы

Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение и приложение, изложенные на 155 страницах машинописного текста, 13 рисунках и 30 таблицах. Список литературы включает 75 наименований.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Разработана математическая модель тепловых процессов в исследуемых объектах при бесконтактном тепловом воздействии на них от подвижного точечного источника тепла, учитывающая тепловые потери, оказывающие существенное влияние на температурное поле в исследуемых объектов при указанном виде теплового воздействия.

2. Определена область применения разработанной модели и даны рекомендации по выбору диапазонов и соотношений основных ее параметров, при которых модель адекватна физике тепловых процессов в исследуемых объектах.

3. На основе полученной физико-математической модели разработаны новые, более эффективные в метрологическом отношении оперативные бесконтактные методы контроля ТФС твердых материалов без нарушения их целостности, а именно:

- метод бесконтактного оперативного НК ТФС материалов и готовых изделий, отличающийся высокой производительностью измерений и точностью, обусловленной существенным уменьшением влияния на результаты измерений тепловых потерь с поверхности исследуемых объектов в окружающую среду;

- бесконтактный адаптивный метод НК ТФС материалов, имеющий высокую точность и полную гарантию сохранения целостности и эксплуатационных характеристик исследуемых объектов в условиях ограниченной априорной информации об их свойствах;

- метод бесконтактного НК ТФС с коррекцией влияния степени черноты исследуемых материалов на результаты измерений, позволяющей повысить точность контроля и расширить функциональные возможности предложенного метода по диапазонам и классам исследуемых материалов.

4. Проведен анализ погрешности результатов измерений по разработанным бесконтактным методам на базе аналитических соотношений, полученных с использованием математических моделей объектов измерений. Для названных выше методов контроля ТФС получены структуры полной погрешности измерений, проведена оценка вклада каждой компоненты в соответствующую характеристику указанной погрешности и выделены доминанты в составе полной погрешности. Подобный подход создает предпосылки для целенаправленного воздействия на источники погрешности, а также коррекции результатов измерений.

5. Проведена оценка метрологической надежности наиболее ответственных блоков системы НК ТФС. Проведено прогнозирование изменения во времени метрологических характеристик двух типовых вариантов этих блоков, что позволило выбрать из них наиболее надежный в метрологическом отношении, обладающий повышенным метрологическим ресурсом. Проведена оценка влияния каждого электрорадиоэлемента в этом блоке системы на их метрологический ресурс и выявлены наиболее ненадежные в метрологическом отношении элементы. Произведена замена их на электрорадиоэлементы с более стабильными метрологическими характеристиками, которая позволила повысить метрологический ресурс всей разработанной системы НК ТФС в среднем на 30-40 %.

6. Разработана и внедрена в производство микропроцессорная система, реализующая новые методы бесконтактного неразрушающего контроля ТФС твердых материалов, позволяющая в автоматическом режиме провести теплофизический эксперимент, выполнить расчет искомых ТФС, внести необходимую коррекцию в результаты измерений и представить эти результаты в удобной форме.

7. Проведены экспериментальные исследования разработанных методов НК ТФС и реализующей их микропроцессорной системы. Результаты метрологических экспериментов показали корректность и эффективность разработанных методов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. A.c. №1081507 СССР, МКИ G01N 25/18. Способ определения тепло-и температуропроводности материалов / В.Н. Чернышов и др. №3568145/1825; Заявл. 28.04.83; Опубл. 23.03.84, Бюл. №11.-4 с.

2. Вавилов В.П., Горбунов В.И., Епифанов Б.И. Некоторые теоретические и экспериментальные вопросы тепловых методов неразрушающего контроля //Дефектоскопия. 1975.-№6-С. 67-75.

3. Варганов И.С., Лебедев Г.Т., Конков В.В. Современное состояние и основные проблемы тепловых методов неразрушающего контроля // Пром. теплотехника. 1983. - Т. 5, № 3. - С. 80-93.

4. Потапов А.И., Пеккер Ф.Т. Неразрушающий контроль конструкций из композиционных материалов. Л.: Машиностроение, 1978.-240 с.

5. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник / Под ред. Клюева B.B. М.: Машиностроение, 1976. - Т2, 182 с.

6. Тепловые методы неразрушающего контроля изделий и элементов радиоэлектроники // Измерения, контроль, автоматизация. 1979. - №5 - С. 1324.

7. Потапов А.И. Контроль качества и прогнозирование надежности конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1980. - 260 с.

8. Тепловой контроль качества многослойных изделий / Ю.А. Попов, Е.А. Карпельсон, В.А. Строков и др. Дефектоскопия, 1978, №8. - С. 76-86.

9. Волькенштейн B.C. Скоростной метод определения теплофизических характеристик материала. М.: Энергия, 1971. - 145 с.

10. Беляев Н.М., Рядно A.A. Методы нестационарной теплопроводности. М.: Высш. шк., 1978. - 328 с.

11. П.Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964.-487 с.

12. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. М.: Гостехиздат, 1954.-408 с.

13. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения. M.-JL: Машгиз, 1956.-253 с.

14. Короткое П.А., Лондон Г.Е. Динамические контактные измерения тепловых величин. Л.: Машиностроение, 1974. - 222 с.

15. Кулаков М.В., Макаров Б.И. Измерение температуры поверхности твердых тел. М.: Энергия, 1977. - 96 с.

16. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высш. шк., 1967.-599 с.

17. МИ 202-80. Методика. Метрологические характеристики измерительных систем. Принципы регламентации и контроля // Метрологическое обеспечение информационно-измерительных систем. М.: Издательство стандартов, 1984. - С. 51-67.

18. Платунов Е.С. и др. Теплофизические измерения и приборы. Л.: 1986. - 256 с.

19. Платунов Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме. -Л.: Энергия, 1973.- 143 с.

20. Филиппов П.И. Приложение теории теплопроводности к теплофизи-ческим измерениям. Новосибирск, 1973. - 64 с.

21. Шашков А.Г., Волохов Г.М., Абраменко Т.Н., Козлов В.П. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. Л.: Энергия, 1973.-242с.

22. Шлыков Ю.П., Гарин Е.А. Контактный теплообмен. М.-Л.: Энергия, 1963.- 144 с.

23. Шнейдер П. Инженерные проблемы теплопроводности. М.: Из-во литературы, 1960. - 478 с.

24. Ярышев H.A. Теоретические основы измерения нестационарных температур. Л.: Энергия, 1967. - 298 с.

25. Волохов Г.М., Шашков А.Г., Фрайман Ю.Е. Некоторые методы и приборы для исследования теплофизических характеристик // Инж. физ. журн. 1967. - Т.13, № 15 - С. 663-689.

26. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. М.: Госэнергоиздат, 1963. - 535 с.

27. Исаченко В.Л., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1991. - 292 с.

28. A.c. №1056015 СССР, МКИ G01N 25/18. Способ определения теплофизических свойств материалов / Ю.А. Попов, В.В. Березин, В.М. Коросте-лев и др.; Заявл. 30.04.82; Опубл. 23.11.83, Бюл. №43.- Зс.

29. A.c. №1117512 СССР, МКИ G01N 25/18. Способ определения теплофизических характеристик материалов / В.Н. Чернышов и др.; Заявл. 29.06.83; Опубл. 7.10.84, Бюл. №37. 6 с.

30. A.c. №1122955 СССР, МКИ G01N 25/18. Способ определения теплофизических характеристик материалов / В.Н. Чернышов и др.; Заявл. 29.06.83; Опубл. 7.11.84, Бюл. №41. 4 с.

31. Попов Ю.А. Некоторые особенности применения активного теплового метода контроля при одностороннем расположении источника и приемной части теплового дефектоскопа // Дефектоскопия. 1975. - №2. - С. 55-63.

32. Патент РФ №2059230. Способ ИК-дефектоскопии / Берников Е.В., Гапонов С.С., Туринов В.И. Заявл. 27.11.92; Опубл. 27.04.96 г.

33. A.c. №1032382 СССР, МКИ G01N 25/18. Способ определения теплопроводности материалов / Ю.А. Попов, В.В. Березин, В.М. Коростелев и др.; Заявл. 31.12.81; Опубл. 30.07.83, Бюл. №28. 4 с.

34. A.c. №1040392 СССР, МКИ G01N 25/18. Способ определения теплофизических свойств материалов / Ю.А. Попов; Заявл. 19.05.82; Опубл. 07.09.83, Бюл. №33.-6 с.

35. A.c. № 1163235 СССР, МКИ G01N 25/18. Устройство для определения теплофизических характеристик материалов / Ю.А. Попов, В.В. Березин, В.М. Коростелев и др.; Заявл. 17.06.83; Опубл. 23.06.85, Бюл. №23. 4 с.

36. A.c. №1193555 СССР, МКИ G01N 25/18. Способ комплексного определения теплофизических характеристик материалов без нарушения их целостности / В.Н. Чернышов и др.; Заявл. 16.05.84; Опубл. 23.11.85, Бюл. №43. 4 с.

37. A.c. № 1481656 СССР, МКИ G01N 25/18. Способ бесконтактного контроля теплофизических характеристик материалов / В.Н. Чернышов и др.; Заявл. 13.05.87; Опубл. 23.05.89, Бюл. №19. 6 с.

38. Бекешко H.A. Сравнение контактных и бесконтактных методов теплового контроля // Дефектоскопия. 1978. - №8. - С. 96-100.

39. Патент РФ №2072516. Способ измерения коэффициента температуропроводности материала и устройство для его осуществления / Гапонов С.С., Туринов В.И. Заявл. 01.03.93; Опубл. 27.01.97 г.

40. Патент РФ №2073851. Устройство для бесконтактного неразрушаю-щего контроля материалов / Гапонов С.С., Туринов В.И. Заявл. 24.11.92; Опубл. 20.02.97 г.

41. Попов Ю.А., Коростелев В.М., Березин В.В. Новые установки для экспрессных измерений методом оптического сканирования // Тез. междунар. теплофиз. шк. Теплофизические проблемы промышленного производства. -Тамбов, 1992. С. 85-86.

42. Патент РФ №2011977. Способ бесконтактного измерения теплофизических характеристик материалов и устройство для его осуществления / Чернышов В.Н., Чернышова Т.И. Заявл. 23.07.91; Опубл. 30.04.94 г.

43. Физические величины. Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 232 с.

44. Рыкалин H.H. Расчеты тепловых процессов при сварке. М: Машгиз, 1951.-296с.

45. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник / H.H. Рыкалин и др. М: Машиностроение, 1985. - 496с.

46. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 3. Методы поверхностной лазерной обработки: учеб. пособие для вузов / А.Г. Григорьянц, А.Н. Сафонов; под ред. А.Г. Григорьянца. М.: Высш. шк., 1987. - 191 с.

47. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 4. Лазерная обработка неметаллических материалов: учеб. пособие для вузов / А.Г. Григорьянц, А.Н. Сафонов; под ред. А.Г. Григорьянца. М.: Высш. шк., 1988. - 191 с.

48. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 5. Лазерная сварка металлов: учеб. пособие для вузов / А.Г. Григорьянц, А.Н. Сафонов; под ред. А.Г. Григорьянца. М.: Высш. шк., 1988. - 207 с.

49. Якушенков Ю.Г. Основы оптико-электронного приборостроения. -М: Сов. радио, 1977. 272с.

50. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. радио, 1978. - 274 с.

51. Хадсон Р. Инфракрасные системы: пер. с англ. М.: Мир, 1972. - 536с.

52. Ярышев H.A. Теоретические основы измерения нестационарной температуры. 2-е изд., перераб. - Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.

53. Справочник по лазерной технике: пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1991.-544 с.

54. Сысоев Э. В., Чернышов В. Н. Бесконтактный метод оперативного определения теплофизических свойств материалов // Труды ТГТУ: Сборник научных статей молодых ученых и студентов. Вып. 4. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 1999. - С. 17-21.

55. Сысоев Э. В., Чернышов В. Н. Бесконтактный метод неразрушающе-го контроля теплофизических характеристик материалов и изделий // IV научная конференция. Краткие тезисы докладов. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 1999.-С. 214.

56. Чернышов В. Н, Сысоев Э. В., Метод бесконтактного неразрушаю-щего контроля теплофизических свойств материалов и готовых изделий // Контроль. Диагностика. М., 1999. - № 7 (13). - С. 28 - 30.

57. Вавилов В.П. Тепловые методы контроля композиционных структур и изделий радиоэлектроники. М.: Радио и связь, 1984. - 152 с.

58. Патент № 2000100136. Бесконтактный адаптивный способ неразру-шающего контроля теплофизических характеристик материалов / В. Н. Чернышов, Т. И. Чернышева, Э. В. Сысоев. Заявл. 5.01.2000; Опубл. 22.11.2000.

59. Сысоев Э. В., Чернышов В. Н. Бесконтактный адаптивный метод не-разрушающего контроля теплофизических свойств материалов // Контроль. Диагностика. М., 2000. - № 2 (20). - С. 31 - 34.

60. Вавилов В.П. Тепловые методы неразрушающего контроля: Справочник. М.: Машиностроение, 1991. - 240 с.

61. Линевег Ф. Измерение температур в технике: Справочник. М.: Металлургия, 1980. 544 с.

62. Стороженко В.А., Вавилов В.П., Волчек А.Д. Неразрушающий контроль промышленной продукции активным тепловым методом. Киев: Техника, 1988. 170 с.

63. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. В 2-х книгах. Кн. 1 / Под ред. В.В. Клюева. 2-е изд. - М.: Машиностроение, 1986. -488 с.

64. Цветков Э.И. Алгоритмические основы измерений. Спб.: Энерго-атомиздат, 1992. - 254 с.

65. ГОСТ 8.009-84. ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений.

66. Екимов A.B., Ревяков М.И. Надежность средств электроизмерительной техники.-JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние. 1986. - 208 с.

67. Игумнов Д.В., Королев Г.В., Громов И.С. Основы микроэлектроники: Учеб. Для техникумов по спец. "Производство изделий электроники". М.: Высш. шк., 1991г.-254 с.

68. Источники и приемники излучения: Учеб. пособие для студентов оптических специальностей вузов / Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, А.Л. Андреев, Г.В. Полыциков. СПб.: Политехника, 1991. - 240 с.116

69. Рычина Т.А., Зеленский A.B. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы. М.: Радио и связь, 1989. - 350с.

70. МИ 1317-86. ГСИ. Результаты и характеристики погрешностей измерений. Формы представления. Способы использования при испытании образцов продукции и контроля их параметров. М.: Издательство стандартов, 1986.-25 с.

71. Методика поверки рабочих средств измерения теплопроводности, удельной теплоемкости и температуропроводности твердых тел. МИ-115-77 / Сост. Ю.А. Чистякова, Л.П. Левина. М.: Издательство стандартов, 1978. -11 с.