автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка метода и устройства для неразрушающего контроля комплекса теплофизических свойств твёрдых анизотропных материалов

005001998

На правах рукописи

КОНЫШЕВА Наталия Александровна

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И УСТРОЙСТВА ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КОМПЛЕКСА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЁРДЫХ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ

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

2 4 НОЯ 2011

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Тамбов 2011

005001998

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ») на кафедре «Управление качеством и сертификация».

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Чуриков Александр Алексеевич

доктор технических наук, профессор Дмитриев Олег Сергеевич

кандидат технических наук, доцент Штейнбрехер Валерий Васильевич

ОАО «Научно-исследовательский институт резинотехнического машиностроения», г. Тамбов

Защита диссертации состоится « » декабря 2011 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.01 ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ФГБОУ ВПО «ТГГУ», Большой зал.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», учёному секретарю совета Д 212.260.01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: г. Тамбов, ул. Мичуринская, д. 112.

Автореферат диссертации размещен на официальных сайтах ФГБОУ ВПО «ТГТУ» http://www.tstu.ru и ВАК Минобрнауки РФ http://vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан «_iJl» ноября 2011г.

Учёный секретарь диссертационного совета

АЛ. Чуриков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное развитие промышленности характеризуется большой номенклатурой и объёмом производства анизотропных материалов, таких как полимерные, металлополимерные, металлокерамиче-ские, композиционные материалы, изделия из железобетона и дерева различных модификаций и т.п. Зависимость физических свойств этих материалов различна в разных направлениях от направления теплового воздействия, особенно вдоль главной оси симметрии свойств материала и в перпендикулярном ей направлении. В производстве этих материалов ведётся контроль теплофи-зических свойств (ТФС) с целью управления тепловыми процессами при термообработке, но как показывает практика, этот контроль далёк от идеального, так как не учитывает различия ТФС по разным направлениям распространения тепла. Так, например, в деревообрабатывающей промышленности после сушки сырья можно наблюдать появление брака при склеивании, фанеровании, прессовании материала. Одной из причин появления брака является нарушение режимных параметров технологии сушки из-за отсутствия учёта различия ТФС, вызванного анизотропией материала.

Существующие методы контроля ТФС анизотропных материалов не дают возможности одновременно определять ТФС материала по основным трём координатам (х, у, г) распространения теплового потока. Эти методы предусматривают наличие исследуемых материалов в виде специально приготовленных проб исследуемого образца или образцов определённых геометрических форм и размеров, при этом необходимо проведение эксперимента в несколько временных этапов, требующих конкретного координатного расположения измерительного устройства на поверхности образца. Применение таких методов и устройств в процессе производства достаточно длительно и не даёт быстрого и объективного результата измерения. Поэтому всё большую актуальность приобретает разработка метода и создание измерительного устройства неразрушающего контроля (НК) ТФС анизотропных твёрдых материалов, которые позволяют осуществить сбор необходимого объёма экспериментальных данных для расчёта комплекса ТФС анизотропного материала в течение одноэтапного эксперимента с единым и постоянным координатным расположением измерительного устройства.

Цель работы заключается в повышении точности и производительности определения ТФС анизотропного материала неразрушающим способом за счёт разработки метода контроля ТФС, основанного на математической модели теплового процесса, позволяющей получить тепловую информацию для расчёта диагональных компонентов тензоров температуропроводности и теплопроводности исследуемого материала в течение одного эксперимента, а также выборе рациональных режимных параметров эксперимента и значений геометрических размеров используемого измерительного устройства.

Для достижения сформулированной цели на основании результатов составленного обзора литературы и проведённого патентного поиска необходимо решение следующих задач:

— разработать математическую модель метода для теплового неразрушающего контроля комплекса ТФС (диагональных компонентов тензора тем-

пературопроводности а„ аг и тензора теплопроводности Хх, Ху, Х2) анизотропного материала;

— разработать алгоритм определения комплекса ТФС анизотропного материала по измеренным данным, полученным в процессе одного эксперимента;

— разработать и изготовить измерительное устройство, работающее в составе автоматизированной системы контроля и позволяющее реализовать на практике метод контроля ТФС анизотропных материалов;

— на основе предложенной математической модели разработать методику выбора рациональных режимных параметров эксперимента и геометрических размеров измерительного устройства;

— провести метрологический анализ разработанных метода и измерительного устройства для контроля ТФС анизотропных материалов;

— осуществить экспериментальную проверку разработанного метода на образцах с известными ТФС.

Методы исследования. Для решения краевых задач теплопроводности, поставленных в работе, использовались интегральные временные и пространственные преобразования, численные методы. В ходе экспериментальных исследований использовались статистические методы обработки результатов измерений.

Научная новизна.

1. Из решения трёхмерной краевой задачи теплопроводности для полуограниченного анизотропного тела с применением методов определения ТФС в области интегральных преобразований Лапласа и Фурье, а также из решения двухмерной краевой задачи получены расчётные зависимости для определения диагональных составляющих тензоров температуропровоности и теплопроводности анизотропного материала.

2. Разработан метод теплового неразрушающего контроля комплекса ТФС твёрдых анизотропных материалов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и производительности измерений анизотропных ТФС, на поверхности исследуемого образца через квадратный участок создаётся тепловой поток постоянной плотности, в процессе эксперимента измеряются и анализируются изменения температуры в двух точках этой поверхности исследуемого образца, расположенных на взаимно-перпендикулярных осях на одинаковом расстоянии от нагревателя, а также в центре нагреваемого участка. Полученная информация (о температуре в трёх точках поверхности исследуемого образца и плотности теплового потока) по найденным расчётным зависимостям позволяет одновременно контролировать диагональные компоненты тензоров температуропроводности и теплопроводности анизотропного материала.

3. Разработана методика выбора рациональных временных параметров эксперимента и геометрических параметров измерительного устройства, обеспечивающих минимальную методическую погрешность измерения ТФС твёрдых анизотропных материалов.

Практическая ценность. На основе разработанного метода спроектировано и создано измерительное устройство для НК комплекса ТФС анизотропных твёрдых материалов в составе автоматизированной системы контроля,

осуществляющее сбор необходимой информации для расчёта комплекса ТФС в трёх взаимно перпендикулярных направлениях за один эксперимент.

Разработано программное обеспечение для расчёта комплекса ТФС анизотропных твёрдых материалов по экспериментальным данным.

Реализация результатов работы. Результаты работы приняты к использованию ООО «Гранит-М» (г. Уварово, Тамбовская обл.), ООО «Инвестиционная индустрия» (г. Тамбов), ООО «Мир дерева» (г. Тамбов).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных научных конференциях Новгородского государственного университета (Великий Новгород, 1999), «Математические методы в технике и технологиях» (Санкт-Петербург, 2000); международных научно-технических конференциях «Информационные технологии в проектировании микропроцессорных систем» (Тамбов, 2000), «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2001); IV Международной теплофизической школе МТФШ-4 (Тамбов, 2001); V Международной теплофизической школе МТФШ-5 (Тамбов, 2004); Международной школе-семинаре молодых учёных «Проблемы экономики и менеджмента качества» (Тамбов, 2006); VII Международной теплофизической школе МТФШ-7 (Тамбов, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, три из которых в изданиях, рекомендованных ВАК; получено свидетельство РФ об официальной регистрации программы для расчёта математической модели теплопереноса в твёрдых анизотропных материалах.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения и пяти глав, заключения, списка использованной литературы и шести приложений. Основная часть диссертации изложена на 142 страницах текста, содержит 23 рисунка и 5 таблиц. Список литературы включает 107 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены результаты апробации работы. Сформулированы результаты исследований, выносимые на защиту.

В первой главе проведён обзор и анализ основных направлений проектирования средств теплового контроля ТФС твёрдых анизотропных материалов. Представлена классификация тепловых методов контроля ТФС твёрдых анизотропных материалов. Выявлены недостатки существующих методов: определение по трём взаимно перпендикулярным направлениям лишь одного теплофизического параметра, длительность эксперимента и проведение измерений в несколько временных этапов с новым координатным расположением измерительного устройства, подготовка образца определённой формы и размера, сложность технического и аппаратного обеспечения.

В результате проведённого обзора установлено, что особый интерес для совершенствования представили тепловые методы НК ТФС анизотропных материалов на базе комбинированных временных и пространственных интегральных характеристик температуры и теплового потока, основанные на ис-

следовании параметров нестационарной стадии процесса теплопроводности. Показано, что получение наиболее достоверных и точных результатов измерения ТФС анизотропных материалов обеспечивает применение методов, не требующих повторного проведения эксперимента с новым координатным расположением измерительного устройства на поверхности образца. Сформулирована задача исследования.

Во второй главе описаны теоретические основы предлагаемого метода контроля ТФС анизотропных материалов. Представлены расчётные зависимости для определения диагональных компонентов тензоров температуропроводности и теплопроводности анизотропных материалов.

Решена обратная задача теплопроводности для полуограниченного ортогонально анизотропного тела с различными ТФС по осям х, у, и г (ах Фау Хх ^\у * А.Д нагрев которого ведётся через квадратный участок поверхности 2 = 0 со стороной 21 (рис. 1).

Процесс переноса тепла в теле описывается следующей краевой задачей:

Рис. 1. Физическая модель метода:

Н— нагреваемый участок; х,у,г-координатные оси; Х\, у\ - точки измерения температуры

ЭЩх,у, 2, р_ Э2Щх, у, г, () д2и(х, у, г, I) Э2[/(х, у, г, О

д/

■ = а

■ + а

+ а„

¿с2 ' Ьу2

/>0, — < х < — оос^соо, 0 < г < оо;

и{х, у, 2, 0) = 0, и(х, у, 2, /)->0 при х,у, <*>; . ди(х, у, г, 7)

дг2

дг

= -д(х, у, 0;

0)

(2) (3)

Э[/(х, у, г, 0

Ьх

= 0,

Э и(х,у, 2, /)

ДГ=гО

Ну

=о,

,=о

(4)

|о при |х|>£, \)\>1.

При решении задачи (1)-(4) использовалось временное интегральное преобразование Лапласа

U'(x,y, z, р) = j'e~p,U{x, у, z, t)dt о

и пространственное косинус-преобразование Фурье:

U*(sx, у, z, р) = J[/*(x, у, z, p)cos(sxx)dx,

U

*(х, sy, z, р) = J[/*(x, у, z, p)cos(syy)cfy,

где р - параметр преобразования Лапласа, р > 0; зу - параметры косинус-преобразований Фурье по координатам х и у соответственно.

Расчётные зависимости для определения температуропроводностей ах, ау и тепловой активности 8г в направлении 2 получены в области временного интегрального преобразования температуры и и теплового потока Распределение временной интегральной характеристики (ВИХ) температур по координатам хи у поверхности тела г = 0

К

и'(х, 0, р),и;(р) =±£Щух(Пу, ь)

U\0,* р) s и;(Р)=±£Щгу{пу, gy, ъ) к

(5)

sin(i cos

И

о п о \i^gx+\i2 + nyi]2

-d\ldr\\

ui u\ 7sinM-7 sinri cos(ri6)

Vy\ny, gy, b)= J-J ' , ^ПФ»

о ^ о 4ljgy /ny +Tl где ~ коэффициент тепловой активности в направлении z;

gx = pi2/ах, gy = pi1 jay, ny=ay/ax, b=xli = yji< 11 = sx£, r\=s/ -безразмерные переменные.

Для определения безразмерного параметра пу получена зависимость отношения установившихся температур (при условии, что q(l) = q = const) в

двух точках поверхности х, и у,, расположенных на взаимно перпендикулярных осях на определённом расстоянии от края нагревателя:

■Vx(ny,0,b) U,

_ СТ Xj

vy(ny,0,b)~ и„п

(6)

Правая часть уравнения (6) (/СТХ[ определяется эксперименталь-

но. Левая часть Щпу, Ь) для заданных значений х1 и у,, рассчитывается как

функция аргумента пу, где пу - параметр соотношения температуропроводности по взаимно перпендикулярным направлениям х и у.

Далее по известной методике1 для двух значений параметра интегрирования р и кр (к >1) находится величина неявно выраженного безразмерного параметра gi (г = х, у) из уравнения

Щпу, Я/, к) =---=-;-=

У,(пу, Ш (кр)

;в,( р,к),

(?)

где II* - ВИХ температуры исследуемого тела в точке г-! (г = х, у) для 2 = 0. Правая часть уравнения (7) 0,-(р, к) находится по экспериментально рас-

у№у> г.-)

считанным значениям £/*(/>) и Щ(кр), а функция Ф,(пу, gi, к) =-

У^Пу, %,)

для найденного значения пу и двух значений параметра интегрирования р и кр рассчитывается как функция аргумента^.

По численному значению параметра g¡ определяется температуропроводность в направлении 1 (где г = х, у), т.е. а,- = • Величина тепловой активности вг определяется из уравнения (5):

в.

к2и*Х1(р)^ лК

(В)

Для определения теплопроводностей и Ху была исследована задача нагрева полуограниченного тела через бесконечную полосу -1<х<1,

-оо <у<оо, 2 = 0 (рис. 2). Нагреваемый Было найдено условие адек-

ватности реального теплового процесса тепловому процессу в полуограниченном образце, нагреваемом бесконечной полосой. Установлено, что при Ро, < 1 (где Ро, = а: ¡И2 - критерий Фурье, = х, у; / < /„, /к -конечное время эксперимента) рассчитанная погрешность определения теплопроводностей Хх и Рис. 2. Схема теплового воздействия К составляет не более 0,55%.

поверхностным нагревателем Температура 110 в централь-

в виде полосы ной точке нагрева (х0 = >'о = 0)

1 Чуриков А.А. Разработка и исследование методов и устройств для автоматизированного неразрушающего контроля температурозависимых теплофизических свойств твёрдых теплозащитных материалов: дис. ... канд. техн. наук. - М.: МИХМ, 1980.-323 с.

для задачи с «полосовым» нагревателем для анизотропного тела описывается двумя выражениями: в первом случае (если нагреватель расположен вдоль оси 0у, как показано на рис. 2) через теплопроводность Хх и температуропроводность ах; во втором случае (если нагреватель расположен вдоль оси Ох, на рис. 2 не показано) - через теплопроводность Ху и температуропроводность ау:

г

£/„( Fo,.) =

1

1

rEi

1

4Fo,y

2VF0TJ V^Fo"

интегральная показательная

где / = х, у; Ф(х) - функция ошибок; Е1(-х) функция.

По измеренной температуре исследуемого тела £/0(0 в момент времени / (при г < О и ранее найденным значениям ах и я^, определяются теплопроводности Хх и

Х^1

1

4FoT

rEi

4Fo

(9)

(10)

У J\

Далее по известным значениям ах и Лх (или а,, и рассчитывается объёмная теплоёмкость материала си которая является общим и однозначным параметром во всех направлениях анизотропного тела, т.е.

Температуропроводность и теплопроводность в направлении z находятся по ранее найденному значению величины тепловой активности в2 = X,/-y/oj и объёмной теплоёмкости с„:

аМ^КЪ (12>

(13)

Алгоритм проведения эксперимента и расчёта комплекса ТФС будет складываться из следующих основных этапов:

1. В начальный момент времени эксперимента /0 = 0 подаётся тепловой поток постоянной плотности q(t) = q = const.

2. В процессе нагрева исследуемого материала через заданные промежутки времени до тех пор, пока не установится стационарная температура в точкахX! иух фиксируются температуры UX](t), Uyy (t) и U0(t).

3. В момент времени, когда температура в исследуемых точках Xi и у1 достигает стационарных значений, измеряется величина теплового потока q; в конечный момент времени эксперимента tK прекращается подача теплового потока.

4. Из уравнения (6) определяется параметр пу.

5. Для двух значений параметра преобразования Лапласа р1 и р2 рассчитываются ВИХ температур и'Х1 (р), и*п(р), и*Х[(р2) и и'п(р2).

6. По значениям ВИХ температур (/*(>,) и и*Х1(р2) из уравнения (7) определяется безразмерный параметр g„ а по значениям ВИХ температур и*У1 (Р\) и и*п(р2) - безразмерный параметр

7. По численному значению параметра определяется температуропроводность в направлении х, т.е. ax=pt2/gx; по численному значению gy -

температуропроводность ау, величина тепловой активности 0г определяется по формуле (8).

8. При Бо, = 1 по формулам (9) - (10) рассчитываются теплопроводности ХхиХу.

9. Из зависимостей (11), (12) и (13) рассчитываются объёмная теплоёмкость материала с„, температуропроводность аг и теплопроводность А, соответственно.

Блок-схема алгоритма проведения эксперимента и определения комплекса ТФС представлена на рис. 3.

Начало

Подача напряжения к нагревателю: д^о) = д

Измерение и хранение в памяти температур ^,0.) и ий(0

£

Расчет ВИХ температур

км)< К^). ^(л) ис/;,о>2)

Вычисление параметра gx и gy

Расчёт ТФС: ах, ау и 0г

1. Измерение плотности теплового потока д.

2. Регистрация момента времени /„•

3. Прекращение подачи напряжения на нагреватель = О

При Ио, = 1 вычисление: X,, Ху

Расчёт с„ Я, и

Г,

£

Расчёт п..

С

Конец

Г?

Рис. 3. Блок-схема алгоритма проведения эксперимента и ____расчёта комплекса ТФС:

|__I - определение диагональных компонентов тензоров

температуропроводности и теплопроводности

В третьей главе проведены исследования метода и выбрана схема размещения элементов измерительного устройства, определены рациональные режимные параметры эксперимента и геометрические параметры измерительного устройства.

Измерительное устройство (рис. 4) представляет собой зонд в виде прямоугольного параллелепипеда со стороной 213. Основным элементом измерительного зонда является подложка, на нижнем основании которой приклеены квадратный электронагреватель и датчик теплового потока (в плоскости контакта 2 = 0 зонда с исследуемым образцом) со стороной 21.

Термопары

Измерительный зонд

Датчик тентового потока

Рис. 4. Схема размещения элементов измерительного устройства

Датчик теплового потока и электронагреватель выполнены в виде конструкции из трёх квадратных пластинок ситалла толщиной не более 0,5-10"3 м (рис. 5), представляющих собой подложки для напыления металла по специальной схеме. Датчик теплового потока состоит из двух ситалловых подложек,

Элекгроизолятор (ситалл) Электрический

нагреватель

50-

фв1—

ТС1

ТС2

Исследуемый образец

Рис. 5. Конструкция нагревателя и датчика теплового потока:

ТС1, ТС2 - плоские медные термопреобразователи сопротивления

на которых расположены интеграторы температуры ТС1 и ТС2, выполненные из меди, на третьей - электрический нагреватель выполненный напылением из константана. Ситалл обладает высокой теплопроводностью, это позволяет создать равномерный тепловой поток в материал и обеспечить высокую чувствительность интеграторов температуры датчика теплового потока.

В центре конструкции нагревателя и датчика теплового потока через отверстие к поверхности исследуемого тела подведён термоэлектический преобразователь Т0, посредством которого измеряется температура в центральной точке зоны нагрева исследуемого тела. Для обеспечения условий теплоизоляции в области I < |х| < I3, I < < L3, кроме участка нагревателя в соответствии с математической моделью разработанного метода, подложка нагревателя (основание зонда) выполнена из материала с низкой теплопроводностью -рипора (X = 0,028 Вт/(м К)). Рабочие спаи термопар Тх и Ту размещаются в подложке на равноудалённом расстоянии от края нагревателя по взаимно перпендикулярным осям в точках с координатами и у1 (см. рис. 4), при этом электроды термопар частично располагаются в изотермической зоне, обеспечивая тем самым минимальный отток тепла. С целью повышения надёжности измерений симметрично термоэлектрическим преобразователям Тх и Ту по координатам х и у относительно центра квадрата размещаются дополнительные датчики температуры (на рис. 4 не показаны, см. далее рис. 8).

С учётом оценки составляющих методической погрешности метода были получены зависимости для определения рациональных режимных параметров эксперимента и геометрических размеров измерительного устройства. На основании этих зависимостей для материалов с ТФС А,,=0Д...З Вт/(м-К) и

=(0,6...6)-10~7 м2/с (где i = х, у, z) с параметром пу е [1,1; 1,3] были выбраны значения временных параметров проведения эксперимента, определены координаты размещения датчиков температуры Тх и Ту, размер нагревателя 21, минимально допустимые размеры исследуемых образцов (см. табл. 1).

Получена зависимость методической погрешности измерения пу,

обусловленной минимально заданной длительностью неразрушающего контроля

W{ny,b)-W\ny,b) W{ny,b)

l— V (nv, 0, b)

где W(nv, b) = Jnv----зависимость отношения температур для двух

' V УГу(пу,0,Ь)

направлений в стационарном режиме при g 0 от пу, а

I— Гх(п„ g, b)

W (п ,b) = Jn ——---зависимость от пу отношения температур для

Vy{ny,g,b)

неустановившегося режима.

Графики зависимости ЬПу приведены на рис. б и 7, из которых видно, что методическая погрешность дп^<2% при 0,1 <£ < 0,2 и при Ъ < 1,2. Выбор нижнего предела безразмерного параметра # для конкретного нагревателя обуславливается максимально допустимым временем проведения эксперимента, а минимального значения параметра Ь - чувствительностью метода к определению отношения температуропроводностей ау/ах.

Таблица 1

Исследуемый параметр Обозначение, ед. изм. Значение параметра

тт тах

Относительные значения координат размещения термопреобразователей по оси х и у Ъ 1,1 1,3

Ширина нагревателя И,и 0,02 0,04

Оптимальные временные параметры gom = 0,2, кот- 16 для Ь - 1,2

Минимально допустимая толщина образца (размер образца по координате г) <4т> м 0,027 -

Минимальный относительный размер образца по координатам х и у В 5,5 -

Примечания: Ь=Ьх=Ьу, Ьх=х,/1, Ьу-у1/1, В = Вх = Ву = Ь/1,1 -

размер исследуемого образца по координатам х и у; к - коэффициент соотношения параметров интегрирования.

1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 ь

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Рис. 6. Графики зависимости й„

от величины g для Ь = 1,2

[3 - выбранный диапазон параметров для заданного диапазона погрешности определения температуропроводности

Рис. 7. Графики зависимости от величины Ъ для g = 0,2

0,1 <£<0,2, где 8 = 1,1 < 6 < 1,2, где Ъ = - = -

В четвёртой главе дано описание автоматизированной системы контроля (АСК) ТФС, реализующей разработанный метод НК, представлена структурная схема АСК и структура измерительного выносного зонда.

В состав системы входят (рис. 8):

- измерительное устройство (ИУ) - выносной зонд, осуществляющий тепловое воздействие на исследуемый образец, снятие информации о температуре Ц), и„ иу и тепловом потоке д при помощи первичных измерительных преобразователей температуры (ПИП 1 - ПИП 5) и датчика теплового потока (ДТП);

- измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) включает в себя ПЭВМ и блок согласования измерительного устройства (БСИУ); ИВК реализует сбор, хранение и обработку экспериментальных данных, взаимодействует с оператором, реализует алгоритм расчёта комплекса ТФС (температуро-проводностей а„ ау, а2 и теплопроводностей Х„ Ху, А.,); БСИУ осуществляет преобразование выходных электрических параметров зонда, питание мостовой измерительной схемы датчика теплового потока, подачу напряжения на электронагреватель.

Используя методику экспериментального определения численных значений параметров преобразования Лапласа при вычислении интегральных

Рис. 8. Структурная схема АСК комплекса ТФС

характеристик температуры, разработанную нашими коллегами2, в работе прея-ставлены два алгоритма определения комплекса ТФС анизотропных материалов:

- при заданном времени окончания эксперимента 4;

- при отсутствии ограничения на длительность эксперимента.

В пятой главе проведён анализ источников систематических погрешностей результата измерения ТФС разработанным методом и устройством. Получены выражения для оценки основных составляющих систематических методических и инструментальных погрешностей определения ТФС.

В результате исследований теоретически определены:

1) погрешность НК температуропроводностей по координатам:

х-7,5%; у- 8%; г- 17,8%;

2) погрешность НК теплопроводностей по координатам:

х - 7,5%; у - 8%; г - 12%.

Приведены результаты проверки метода НК анизотропных твёрдых материалов (табл. 2), подтверждающие его эффективность и достоверность.

Таблица 2

Экспериментальные данные Данные других источников

Материал аЛ0\ м2/с К Вт/(мК) Су, кДж/(м3-К) а-10', м2/с Вт/(мК) кДж/(м3-К)

Сосна или ель (дерево сухое) в направлении:

1,59 0,163 1,71 0,175

>-(11) 1,799 0,184 1025 1,89 0,193 1023

2(1) 1,442 0,148 1,69 0,173

Полиметшметакри-лат (одноосно растянутый полимер) в направлении:

X 0,949 0,172 1,01 0,182

У 1,241 0,225 1812 1,318 0,238 1805

г 0,899 0,163 1,04 0,185

Примечания: ±- перпендикулярно волокнам; || - параллельно волокнам.

В приложениях приведены решения краевых задач теплопроводности для полуограниченного анизотропного тела с применением интегральных преобразований Лапласа и Фурье; показана конструкция электронагревателя и датчика теплового потока; представлена методика экспериментального определения временных параметров эксперимента и расчёт интегральных характеристик температуры; даны результаты экспериментального определения ТФС

2 A.c. № 2178166/25 кл. G 01 N 25/18. Способ комплексного определения тепло-

физических характеристик твёрдых и дисперсных материалов / C.B. Мищенко, A.A. Чуриков, Г.В. Шишкина. Заявл. 29.11.1999; Опубл. 10.01.2002.

анизотропных материалов измерительным устройством и оценки основных составляющих случайных и систематических погрешностей определения ТФС; приведены материалы по внедрению результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основании проведённого обзора существующих методов неразру-шающего контроля ТФС твёрдых анизотропных материалов установлено, что для их совершенствования целесообразно применять тепловые методы Ж ТФС анизотропных материалов, использующие комбинированные временные и пространственные интегральные характеристики температуры и теплового потока, позволяющие исследовать параметры нестационарной стадии процесса теплопереноса.

2. Из решения трёхмерной краевой задачи теплопроводности в области интегральных преобразований Лапласа и Фурье с применением численных методов, а также решения двухмерной задачи теплопроводности, полученного классическим методом, найдены расчётные зависимости для определения диагональных компонентов тензоров температуропроводности и теплопроводности анизотропного материала.

3. Разработан алгоритм для проведения процесса нагрева и получения информации о тепловом процессе эксперимента и расчёта комплекса ТФС анизотропных материалов (диагональных компонентов тензора температуропроводности а„ ау, az и тензора теплопроводности Хх, ку, Xz), основанный на получении тепловой информации в течение одного эксперимента.

4. Разработана методика поиска рациональных временных параметров эксперимента и геометрических размеров измерительного устройства, обеспечивающих процесс измерения ТФС с минимальной методической погрешностью.

5. Спроектировано и изготовлено рациональное измерительное устройство, реализующее НК комплекса ТФС анизотропных твёрдых материалов, работающее в составе автоматизированной системы контроля.

6. Представлены два алгоритма определения комплекса ТФС анизотропных материалов: при заданном времени окончания эксперимента /к; при отсутствии ограничения на длительность эксперимента. Разработано программное обеспечение для расчёта комплекса ТФС анизотропных твёрдых материалов по экспериментальным данным.

7. Проведён метрологический анализ метода и обработка экспериментальных данных, которые показали пригодность разработанного метода НК ТФС анизотропных материалов.

Основные материалы, отражающие результаты диссертационной работы, изложены в следующих публикациях:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

]. Чуриков, A.A. Неразрушающий контроль теплофизических свойств анизотропных дисперсных материалов / A.A. Чуриков, H.A. Буренина3 // Вестник Тамб. гос. техн. ун-та - 2000. - Т. 6, № 3. - С. 393 - 401.

3 Буренину H.A. считать Конышевой H.A. в соответствии со свидетельством о заключении брака I-KC № 288828 от 22.08.98.

2. Чуриков, A.A. Определение полного комплекса теплофизических свойств в одностадийном контроле образцов из анизотропных твёрдых материалов / H.A. Конышева, A.A. Чуриков // Информационные процессы и управление : рецензируемый Интернет-журнал.-2006.-№ 1.-С. 107-115 [http://www.tstu.ru/ipu/2006-l/013.pdf].

3. Конышева, H.A. Поиск оптимальных параметров теплового неразрушаю-щего контроля твёрдых ортотропных материалов / H.A. Конышева, A.A. Чуриков, Г.В. Шишкина II Контроль. Диагностика. - 2010. - № 7 (145). - С. 21 - 29.

Статьи и материалы конференций:

4. Чуриков, A.A. Интегрирующие поверхностные датчики температуры для теплофизического неразрушающего контроля материалов / A.A. Чуриков, C.B. Мищенко, H.A. Буренина // Математические методы в технике и технологиях. ММТТ-12 : сб. тр. Междунар. науч. конф. : в 5-ти т. / Новгород, гос. ун-т. - Великий Новгород, 1999. - Т. 2. - С. 128 - 129.

5. Буренина, H.A. Интегральные преобразования и измерительные устройства в теплофизическом неразрушающем контроле ортотропных материалов / H.A. Буренина, A.A. Чуриков A.A. // Труды ТГТУ : сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 1999. - Вып. 4. - С. 44 - 46.

6. Чуриков, A.A. Интегральные преобразования в экспресс-методах теплофизического контроля ортотропных материалов / A.A. Чуриков, H.A. Буренина // Математические методы в технике и технологиях. ММТТ-2000 : сб. тр. 13 Междунар. науч. конф. - Санкт-Петербургский гос. технол. ин-т (техн. ун-т). - СПб., 2000.-Т. 2.-С. 130- 132.

7. Чуриков, A.A. Одностадийный метод неразрушающего контроля теплофизических свойств ортотропных материалов / A.A. Чуриков, H.A. Буренина // Информационные технологии и проектирование микропроцессорных систем. ИТ ПМПС-2000 : тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2000.-С. 120-121.

8. Буренина, H.A. Пространственно-временные интегральные преобразования в задаче теплофизического неразрушающего контроля ортотропных материалов // Информационные технологии и проектирование микропроцессорных систем. ИТ ПМПС-2000 : тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2000. - С. 121 - 123.

9. Буренина, H.A. Экспресс методы неразрушающего контроля комплекса теплофизических свойств ортотропных материалов / H.A. Буренина, A.A. Чуриков // Труды ТГТУ : сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. -Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2000. - Вып. 5. - С. 65 - 68.

10. Методы и средства неразрушающего контроля теплофизических свойств анизотропных и химически агрессивных материалов / C.B. Мищенко, A.A. Чуриков, H.A. Буренина, И.М. Бомбане // Измерение, контроль, информатизация : материалы Второй междунар. науч.-техн. конф. - Барнаул, 2001. - С. 99 - 100.

11. Чуриков, A.A. Неразрушающий контроль теплофизических свойств анизотропных и химически агрессивных материалов / A.A. Чуриков, H.A. Буренина, И.М. Бомбане // Теплофизические измерения в начале XXI века : тез. докл. IV Междунар. теплофиз. шк. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2001. -Ч. 2. - С. 94 - 95.

12. Конышева, H.A. Определение условий проведения теплофизического неразрушающего контроля ортотропных материалов // Метрология, стандартизация,

сертификация и управление качеством продукции : программа, материалы школы-семинара молодых учёных. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. - С. 112 -114.

13.Конышева, H.A. Условия определения неразрушаюгцего контроля тепло-физических свойств ортотропных материалов / H.A. Конышева // Теплофизиче-ские измерения в начале XXI века : тез. докл. IV Междунар. теплофиз. шк. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. -Ч. 1. - С. 251 -253.

14. Конышева, H.A. Математическая модель неразрушающего контроля теп-лофизических свойств ортотропного полуограниченного образца / Н.А.Конышева, A.A. Чуриков // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях : межвуз. сб. / под ред. Г.В. Леонова ; Алт. гос. техн. ун-т БТИ. - Бийск, 2005. - С. 13 - 15.

15. Чуриков, A.A. Метрологическая оценка адекватности реального неразрушающего контроля анизотропных материалов его математической модели / A.A. Чуриков, H.A. Конышева // Проблемы экономики и менеджмента качества : программа и материалы Междунар. школы-семинара молодых ученых. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та. - 2006. - С. 221 - 222.

16. Конышева, H.A. Измерительное устройство для одностадийного контроля образцов из анизотропных твердых материалов / H.A. Конышева // Проблемы экономики и менеджмента качества : программа и материалы Междунар. школы-семинара молодых ученых. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та - 2006. -С. 285 - 287.

17. Свидетельство № 2008610878 о государственной регистрации программы для ЭВМ. Расчёт математической модели теплопереноса для одностадийного метода неразрушающего контроля комплекса теплофизических свойств твёрдых анизотропных материалов / A.M. Каменский, H.A. Конышева, A.A. Чуриков. -Заявл. 24.12.2007, зарегистрировано 20.02.2008.

18. Конышева, H.A. Выбор направления проектирования средств контроля взаимно-перпендикулярной анизотропии теплофизических свойств твердых материалов / H.A. Конышева, A.A. Чуриков ; Тамб. гос. техн. ун-т. - М., 2010. - 27 с. -Рус. - Деп. в ВИНИТИ 25.01.2010. № 19-В2010.

19. Конышева, H.A. База данных безразмерных параметров в методе контроля теплофизических свойств твёрдых анизотропных материалов / H.A. Конышева, A.M. Каменский // Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг : материалы VII Междунар. теплофиз. шк. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та,2010,-4.2.-С. 120-121.

If). Мищенко, C.B. Одностадийный метод неразрушающего контроля комплекса теплофизических свойств твёрдых ортотропных материалов / C.B. Мищенко, A.A. Чуриков, H.A. Конышева // Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг : материалы VII Междунар. теплофиз. шк. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2010. - Ч. 2. - С. 59 - 63.

Подписано в печать 08.11.2011 Формат 60x84/16. 0,93 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 487

Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ» 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к. 14

Условные обозначения и аббревиатуры.

Введение.

1 Основные направления проектирования средств теплового контроля теплофизических свойств твёрдых анизотропных материалов.

1.1 Общий анализ существующих методов контроля ТФС твёрдых анизотропных материалов.

1.2 Двустадийные тепловые методы неразрушающего контроля анизотропных материалов с применением интегральных характеристик.

1.3 Постановка задачи исследования.

2 Теоретические основы метода неразрушающего контроля комплекса теплофизических свойств твёрдых анизотропных материалов.

2.1 Направление исследования при моделировании процесса контроля теплофизических свойств анизотропных материалов.

2.2 Метод неразрушающего контроля комплекса теплофизических свойств твёрдых анизотропных материалов.

2.2.1 Решение краевой задачи теплопроводности для анизотропного полуограниченного тела.

2.2.2 Расчётные зависимости для определения температуропроводностей ах, ау и тепловой активности 0г.

2.3 Определение комплекса ТФС твёрдых анизотропных материалов.

2.3.1 Определение условий адекватности реального теплового процесса тепловому процессу с "полосовым" нагревателем.

2.3.2 Алгоритм проведения эксперимента и расчёта комплекса

Выводы по второй главе.

3 Проектирование измерительного устройства и процесса проведения неразрушающего теплофизического контроля.

3.1 Выбор и обоснование схемы измерения экспериментальной информации.

3.2 Определение геометрических параметров измерительного устройства, режимных параметров теплофизического эксперимента и минимально допустимых размеров образца.

3.2.1 Определение координат размещения датчиков температур.

3.2.2 Определение режимных параметров эксперимента.

3.2.3 Определение минимальной толщины исследуемого образца.

3.2.4 Определение минимально допустимых размеров исследуемого образца по координатам х и у.

Выводы по третьей главе.

4 Автоматизированная система контроля ТФС твёрдых анизотропных материалов.

4.1 Техническое обеспечение автоматизированной системы контроля ТФС анизотропных материалов.

4.1.1 Принцип работы автоматизированной системы контроля

4.1.2 Структура измерительного выносного зонда автоматизированной системы контроля ТФС.

4.2 Последовательность проведения теплофизического эксперимента.

4.2.1 Последовательность проведения теплофизического эксперимента при заданном времени окончания эксперимента.

4.2.2 Последовательность проведения теплофизического эксперимента при отсутствии ограничения на длительность эксперимента.

4.3 Алгоритм контроля комплекса ТФС анизотропных материалов.

Выводы по четвёртой главе.

5 Метрологическое обеспечение метода и устройства НК ТФС анизотропных материалов.

5.1 Анализ и оценка методических погрешностей.

5.2 Анализ и оценка инструментальных погрешностей.

5.2.1 Оценка погрешности экспериментального определения значений интегральных характеристик температуры.

5.2.2 Анализ величины погрешности измерения теплового потока

5.3 Оценка погрешности метода НК ТФС анизотропных материалов.

5.4 Результаты экспериментальной проверки метода.

Выводы по пятой главе.

Современное развитие промышленности характеризуется большой номенклатурой и объёмом производства анизотропных материалов (строительных, теплозащитных, полимерных и др.). За последние годы появился обширный класс материалов с ярко выраженными анизотропными свойствами [1 - 3]. Анизотропия большинства конструкционных материалов является следствием преимущественной ориентации их структурных элементов. Такие материалы обычно ортотропны (ортогонально анизотропны) [4 - 6], т. е. имеют три взаимно перпендикулярные плоскости симметрии строения. Таковы древесина, фанера, стеклопластики, армированные непрерывным стекловолокном, различные текстолиты, прокатные металлы, плёнки ориентированных полимеров и т. д. В ортогонально анизотропных материалах теплопроводность всегда оказывается выше в направлении ориентации, чем в направлении перпендикулярном ориентации, а также в изотропном состоянии [6].

Существующие методы контроля анизотропии ТФС не отличаются большим разнообразием, как правило, позволяют определять только одну теплофизическую характеристику, например, теплопроводность в трёх взаимно перпендикулярных направлениях. Эти методы предусматривают наличие исследуемых материалов в виде специальных проб или образцов определенных геометрических форм и размеров и требуют проведения эксперимента в несколько стадий с изменением расположения измерительного устройства. Применение таких методов и устройств в промышленности не дает возможности быстрого внесения корректирующих действий в процессы теплопереноса с целью устранения будущего, еще не возникшего брака продукции или сырья вследствие неправильного процесса теплопереноса. Отсюда возникает необходимость в проведении одновременного контроля ТФС анизотропных материалов во взаимно перпендикулярных направлениях.

Важной проблемой, решаемой в данной диссертационной работе, является создание метода и измерительного устройства для неразрушающего теплового контроля комплекса ТФС (диагональных компонентов тензора температуропроводности ах, ау, а2 и теплопроводности Хх, Ху, Хг) анизотропных твёрдых материалов, позволяющих проводить экспериментальные исследования на поверхности исследуемого тела в течение одного эксперимента.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Разработка теплового метода неразрушающего контроля (НК) комплекса теплофизических свойств анизотропных твёрдых материалов.

2. Измерительное устройство, предназначенное для НК комплекса ТФС анизотропных твёрдых материалов, разработанное в составе автоматизированной системы контроля.

3. Методика выбора рациональных режимных параметров теплофизического эксперимента и геометрических параметров измерительного устройства.

Актуальность работы.

Современное развитие промышленности характеризуется большой номенклатурой и объёмом производства анизотропных материалов, таких как полимерные, металлополимерные, металлокерамические, композиционные материалы, изделия из железобетона и дерева различных модификаций и т. п [1, 16, 18]. Зависимость физических свойств этих материалов различна в разных направлениях от направления теплового воздействия, особенно вдоль главной оси симметрии свойств материала и в перпендикулярном ей направлении. В производстве этих материалов ведётся контроль теплофизических свойств с целью управления тепловыми процессами при термообработке, но как показывает практика, этот контроль далёк от идеального, так как не учитывает различия ТФС по разным направлениям распространения тепла. Так, например, в деревообрабатывающей промышленности после сушки сырья можно наблюдать появление брака при склеивании, фанеровании, прессовании материала. Одной из причин появления брака является нарушение режимных параметров технологии сушки из-за отсутствия учёта различия ТФС, вызванного анизотропией материала.

Существующие методы контроля ТФС анизотропных материалов не дают возможности одновременно определять ТФС материала по основным трём координатам (х, у, г) распространения теплового потока. Эти методы предусматривают наличие исследуемых материалов в виде специально приготовленных проб исследуемого образца или образцов определенных геометрических форм и размеров, при этом необходимо проведение эксперимента в несколько временных этапов, требующих конкретного координатного расположения измерительного устройства на поверхности образца. Применение таких методов и устройств в процессе производства достаточно длительно и не даёт быстрого и объективного результата измерения. Поэтому всё большую актуальность приобретает разработка метода и создание измерительного устройства неразрушающего контроля ТФС анизотропных твёрдых материалов, которые позволяют осуществить сбор необходимого объёма экспериментальных данных для расчёта комплекса ТФС анизотропного материала в течение одноэтапного эксперимента с единым и постоянным координатным расположением измерительного устройства.

Цель работы заключается в повышении точности и производительности определения ТФС анизотропного материала неразрушающим способом за счёт разработки метода контроля ТФС, основанного на математической модели теплового процесса, позволяющей получить тепловую информацию для расчёта диагональных компонентов тензоров температуропроводности и теплопроводности исследуемого материала в течение одного эксперимента, а также выборе рациональных режимных параметров эксперимента и значений геометрических размеров используемого измерительного устройства.

Для достижения сформулированной цели на основании результатов составленного обзора литературы и проведённого патентного поиска необходимо решение следующих задач:

- разработать математическую модель метода для теплового неразрушающего контроля комплекса ТФС (диагональных компонентов тензора температуропроводности ах, ау, а2 и тензора теплопроводности Хх, Ху, Х2) анизотропного материала;

- разработать алгоритм определения комплекса ТФС анизотропного материала по измеренным данным, полученным в процессе одного эксперимента;

- разработать и изготовить измерительное устройство, работающее в составе автоматизированной системы контроля и позволяющее реализовать на практике метод контроля ТФС анизотропных материалов;

- на основе предложенной математической модели разработать методику выбора рациональных режимных параметров эксперимента и геометрических размеров измерительного устройства;

- провести метрологический анализ разработанных метода и измерительного устройства для контроля ТФС анизотропных материалов;

- осуществить экспериментальную проверку разработанного метода на образцах с известными ТФС.

Методы исследования. Для решения краевых задач теплопроводности, поставленных в работе, использовались интегральные временные и пространственные преобразования, численные методы. В ходе экспериментальных исследований использовались статистические методы обработки результатов измерений.

Научная новизна.

1. Из решения трёхмерной краевой задачи теплопроводности для полуограниченного анизотропного тела с применением методов определения

ТФС в области интегральных преобразований Лапласа и Фурье, а также из решения двухмерной краевой задачи получены расчётные зависимости для определения диагональных составляющих тензоров температуропровоности и теплопроводности анизотропного материала.

2. Разработан метод теплового неразрушающего контроля комплекса ТФС твёрдых анизотропных материалов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и производительности измерений анизотропных ТФС, на поверхности исследуемого образца через квадратный участок создаётся тепловой поток постоянной плотности, в процессе эксперимента измеряются и анализируются изменения температуры в двух точках этой поверхности исследуемого образца, расположенных на взаимно-перпендикулярных осях на одинаковом расстоянии от нагревателя, а также в центре нагреваемого участка. Полученная информация (о температуре в трёх точках поверхности исследуемого образца и плотности теплового потока) по найденным расчётным зависимостям позволяет одновременно контролировать диагональные компоненты тензоров температуропроводности и теплопроводности анизотропного материала.

3. Разработана методика выбора рациональных временных параметров эксперимента и геометрических параметров измерительного устройства, обеспечивающих минимальную методическую погрешность измерения ТФС твёрдых анизотропных материалов.

Практическая ценность. На основе разработанного метода спроектировано и создано измерительное устройство для НК комплекса ТФС анизотропных твёрдых материалов в составе автоматизированной системы контроля, осуществляющее сбор необходимой информации для расчёта комплекса ТФС в трёх взаимно перпендикулярных направлениях за один эксперимент.

Разработано программное обеспечение для расчёта комплекса ТФС анизотропных твёрдых материалов по экспериментальным данным.

Реализация результатов работы. Результаты работы приняты к использованию ООО «Гранит-М» (г. Уварово, Тамбовская обл.), ООО «Инвестиционная индустрия» (г. Тамбов), ООО «Мир дерева» (г. Тамбов).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных научных конференциях Новгородского государственного университета (Великий Новгород, 1999), «Математические методы в технике и технологиях» (Санкт-Петербург, 2000); международных научно-технических конференциях «Информационные технологии в проектировании микропроцессорных систем» (Тамбов, 2000), «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2001); IV Международной теплофизической школе МТФШ-4 (Тамбов, 2001); V Международной теплофизической школе МТФШ-5 (Тамбов, 2004); Международной школе-семинаре молодых учёных «Проблемы экономики и менеджмента качества» (Тамбов, 2006); VII Международной теплофизической школе МТФШ-7 (Тамбов, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, три из которых в изданиях, рекомендованных ВАК; получено свидетельство РФ об официальной регистрации программы для расчёта математической модели теплопереноса в твёрдых анизотропных материалах.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения и пяти глав, заключения, списка использованной литературы и шести приложений. Основная часть диссертации изложена на 142 страницах текста, содержит 23 рисунка и 5 таблиц. Список литературы включает 107 наименований.

ВЫВОДЫ ПО ПЯТНОЙ ГЛАВЕ

В пятой главе диссертационной работы проведён анализ возможных источников систематических погрешностей результата измерения комплекса ТФС разработанным методом и устройством.

Получены выражения для оценки среднеквадратических методических и инструментальных систематических погрешностей определения ТФС.

В результате теоретических исследований, проведённых в ходе выполнения пятой главы, получены следующие результаты: для температуропроводностей ах) < 7,5 %

5у [ау)< 7,5% а2)<17,8%

- для теплопроводностей

5Х (Лх) < 8 % ^ 5у (^)<8%

12%

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании проведённого обзора существующих методов неразрушающего контроля ТФС твёрдых анизотропных материалов установлено, что для их совершенствования целесообразно применять тепловые методы НК ТФС анизотропных материалов, использующие комбинированные временные и пространственные интегральные характеристики температуры и теплового потока, позволяющие исследовать параметры нестационарной стадии процесса теплопереноса.

2. Из решения трёхмерной краевой задачи теплопроводности в области интегральных преобразований Лапласа и Фурье с применением численных методов, а также решения двухмерной задачи теплопроводности, полученного классическим методом, найдены расчётные зависимости для определения диагональных компонентов тензоров температуропроводности и теплопроводности анизотропного материала.

3. Разработан алгоритм для проведения процесса нагрева и получения информации о тепловом процессе эксперимента и расчёта комплекса ТФС анизотропных материалов (диагональных компонентов тензора температуропроводности ах, ау, а2 и тензора теплопроводности Хх, Ху, Х2), основанный на получении тепловой информации в течение одного эксперимента.

4. Разработана методика поиска рациональных временных параметров эксперимента и геометрических размеров измерительного устройства, обеспечивающих процесс измерения ТФС с минимальной методической погрешностью.

5. Спроектировано и изготовлено рациональное измерительное устройство, реализующее НК комплекса ТФС анизотропных твёрдых материалов, работающее в составе автоматизированной системы контроля.

6. Представлены два алгоритма определения комплекса ТФС анизотропных материалов: при заданном времени окончания эксперимента при отсутствии ограничения на длительность эксперимента. Разработано программное обеспечение для расчёта комплекса ТФС анизотропных твёрдых материалов по экспериментальным данным.

7. Проведён метрологический анализ метода и обработка экспериментальных данных, которые показали пригодность разработанного метода НК ТФС анизотропных материалов. Результаты исследований приняты к использованию на ООО "Мир дерева" (г. Тамбов), ООО "Гранит-М" (г. Уварово, Тамбовская обл.), ООО "Инвестиционная индустрия" (г. Тамбов).

1. Карабасова, Ю.С. Новые материалы / Коллектив авторов. Под научной ред. Ю.С. Карабасова - М: МИСИС, 2002, 736 стр.

2. Буров, А.Е. Анализ трещиностойкости волокнистых композитов с металлической матрицей / А.Е. Буров // Тез. докл. междунар. конф. "Разрушение и мониторинг свойств металлов". — Екатеринбург. — 2001.

3. Конышева, H.A. Выбор направления проектирования средств контроля взаимно-перпендикулярной анизотропии теплофизических свойств твердых материалов / H.A. Конышева, A.A. Чуриков Деп. в ВИНИТИ г. Москва - Деп. № 19-В2010. 27 с.

4. Карташов, Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел / Э.М. Карташов: Учебное пособие для студентов ВТУЗов. 3-е издание, перераб.и доп. - М: Высшая школа, 2001 - 550 с.

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

6. Беляев, Н.М. Методы нестационарной теплопроводности / Н.М. Беляев, A.A. Рядно М.: Высшая школа, 1978. - 328 с.

7. Неразрушающий контроль и техническая диагностика — основа промышленной безопасности (по результатам работы XVIII Всероссийской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и техническая диагностика"). http://dpi-ngtu.ru/conference/control .php

8. Чуриков, A.A. Методы и средства неразрушающего контроля теплофизических свойств изделий и образцов из неоднородных твердых материалов: дис.д-ра техн. наук: 05.11.13. Тамбов, 2000. -599с.

9. Антонова, Л.JI. Методы и средства теплофизического контроля керамических изделий электротехнического назначения: дис.к-та техн. наук: 05.11.13. Тамбов, 2006. - 167с.

10. Ю.Теплофизические свойства веществ / Под ред. Н.Б. Варгафтика. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1956. - 368 с.

11. П.Пономарев, C.B. Теоретические и практические аспекты теплофизических измерений: монография в 2 кн. / C.B. Пономарев, C.B. Мищенко, А.Г. Дивин. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. Ун-та, 2006. -Кн. 1 - 204 с.

12. Власов, В.В. Методы неразрушающего теплофизического контроля анизотропных тел/ Власов В.В., Шаталов Ю.С., Зотов E.H., Лабовская A.C., Чуриков A.A. тел. Инж. - физ. журн.,1977, Т.ЗЗ, №3, С.479-485.

13. Фокин, В.М. Неразрушающий контроль теплофизических характеристик строительных материалов / В.М. Фокин, В.Н. Чернышов. М.: Издательство машиностроение-1, 2004. - 212 с.

14. Дмитриев, О.С. Идентификация процессов отверждения изделий из полимерных композитов на основе автоматизированного контроля и коррекции технологических режимов: : дис.д-ра техн. наук: 05.17.05 -(ПАХТ) и 05.11.13 Тамбов, 2000. - 323 с.

15. Чернышов, A.B. Методы и средства неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых многослойных изделий: дис.канд. техн. наук: 05.11.13. Тамбов, 2005 .- 163 с.

16. Сенкевич, А.Ю. Метод и автоматизированная система многостадийного неразрушающего контроля теплофизических свойствтвердых теплоизоляционных материалов: дис. канд. техн. наук: 05.11.13.-Тамбов, 2000.- 148 с.

17. Арутюнов Б.А., Григоривкер А.И., Фесенко А.И., Штейнбрехер В.В. Неразрушающие способы определения теплофизических характеристик материалов методом мгновенного источника тепла // Инженерно-физический журнал, 1997. Т. 70. - № 6. - С. 888 - 894.

18. Wellele, О. Reduced Model For Parameter Estimation in Coupled

19. Conduction-Radiation / O.Wellele, H.R.B. Orlande, N. Ruperti Jr., M.J.th

20. Colaco and A. Demas: 6 World Congresses of Structural and Multidisciplinari Optimization. Rio de Janeiro, 30 May 03 June 2005, Brazil.

21. Nagano, H. Thermophysical Properties of High-Thermal-Conductivity Graphite Sheets for Spacecraft Thermal Design / H. Nagano, A. Ohnishi and Y. Nagasaka. // Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol.15, No. 3, July-Ceptember 2001.

22. Troitsky, O.Y. A Numerical Simulation to Propose a Flash Method for in Situ Detection of the Thermal Diffusivity of Anisotropic Thin Film Materials / Oleg Yu. Troitsky and Haraid Reiss A. // International Journal of Thermophysics, 2 Jun 2009 r.

23. Taguchi, Y. Thermal Diffusivity Measurements of High Conductivity Materials by dynamic Grating radiometry / Y. Taguchi and Y. Nagasaka: Int. J. of Thermophysics, Vol. 22, № 1, 2001.

24. Вавилов, В.П. Тепловые методы неразрушающего контроля / В.П. Вавилов: Справочник. М: Машиностроение, 1991.

25. Ашкенази, Е.К. Прочность анизотропных древесных и синтетических материалов / Е.К. Ашкенази. М.: "Лесная промышленность", 1966. -169 с.

26. Козлов, В.П. Микропроцессоры в теплофизических измерениях / В.П. Козлов, А.В. Станкевич: Обзор, информ. / Белорусский НИИНТИ. Минск, 1986.-44 с.

27. Дорняк, О.Н. Моделирование нестационарного температурного поля в подшипнике скольжения / О.Н. Дорняк, С.П. Кухаренко: www.tribo.ru.

28. Потапов, А И. Состояние неразрушающих методов контроля качества композиционных материалов за рубежом / А.И. Потапов, Г.С. Морокина. В сб.: Приборы и методы контроля качества. -Северозападный полит, инст., 1989. - С. 6-11.

29. А. С. 1057830, G 01 N 25/18. Способ определения теплопроводности материалов / А. Н. Калинин Опубл. 23.07.92. бюл. № 27.

30. Sawaf, B.W. Determining the Constant Thermal Conductivities of Orthotropic Materials / B.W. Sawaf and M.N. Ozisik // International Communications in Heat and Mass Transfer, 22, No.2, pp. 201-211 (1995).

31. Mejias, M.M. Design of Optimum Experiments for the Estimation of the Thermal Conductivity Components of Orthotropic Solids / M.M. Mejias ,

32. H.R.B. Orlande and M.N. Ozisik // Hybrid Methods in Engineering. 1, No.1.pp. 37-53 (1999).

33. A. C. №1273782, кл. G 01 N 26/18. Способ определения теплофизических характеристик анизотропных материалов / И.И. Прокофьев, Е.Г. Иваник, И.Р. Татчин, 1986.

34. Чуриков, А. А. Разработка и исследование методов и устройств для автоматизированного неразрушающего контролятемпературозависимых теплофизических свойств твердыхтеплозащитных материалов. — Кандидатская диссертация. — М.: МИХМ, 1980.-323 с.

35. Платунов, Е.С. Теплофизические измерения и приборы / Е.С. Шатунов Л.: Машиностроение, 1986 - 256 с.

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

37. Шаталов, А.Г. Теплообмен ортотропного ограниченного цилиндра при комбинированных граничных условиях первого, второго и третьего рода / А.Г. Шаталов, Г.М. Волохов, В.Н. Липовцев. // Инженерно-физический журнал, 1989, том 57, № 6, с. 965-973.

38. Козлов, В.П. Решение двумерного уравнения нестационарной теплопроводности для ортотропных цилиндрических ограниченных сред / В.П. Козлов, В.Н. Липовцев // Инженерно-физический журнал, 1989, том 56, № 6, с. 1014-1020.

39. Михалев, A.M. Метод определения теплофизических свойств ортотропных материалов на основе решения двумерной обратной задачи теплопроводности / A.M. Михалев, C.B. Резник // Инженерно-физический журнал, 1989, том 56, № 3, с.483-491.

40. Коздоба, Л.А. Решение внутренней обратной задачи для объемного анизотропного тела / Л.А. Коздоба, В.Н. Мудриков // Инженерно-физический журнал, 1989, том 56, № 3, с. 455-458.

41. Формалев, В.Ф. Идентификация двумерных тепловых потоков в анизотропных телах сложной формы / В.Ф. Формалев // Инженерно-физический журнал, 1989, том 56, № 3, с. 382-386.

42. Кравчук, С.Н. Измерение тепловых свойств тонких диэлектрических плёнок зондовым методом периодического нагрева / С.Н. Кравчук, С.Т. Давитадзе, Н.С. Мизина, Б.А. Струков // Физика твёрдого тела, 1997, том 39, №4, с. 762-767.

43. Филиппов, Л.П. Измерение теплофизических свойств веществ методом периодического нагрева / Л.П. Филиппов: Энергоатомизда, М. 1984.

44. А. С. 1057830, G 01 N 25/18. 1982. Способ определения теплопроводности материалов / А. Н. Калинин Опубл. 23.04.91. бюл. № 15.

45. Лыков, A.B. Теория теплопроводности / A.B. Лыков М.: Высшая школа, 1967.-599 с.

46. Шишкина, Г.В. Методика выбора режимных и геометрических параметров средств контроля теплофизических свойств плоских образцов дисперсных материалов: дис.к-та техн. наук: 05.11.13. -Тамбов, 2000. 179 с.

47. Шаталов, Ю.С. Метод интегральных характеристик и обратных задач / В.В. Власов, Ю.С. Шаталов, E.H. Зотов Е.Н, A.C. Лабовская, Н.П. Пучков, A.A. Чуриков В. Кн.: Тепломассообмен -У, Минск: Институт тепло- и массообмена АН БССР, 1976, том IX, С. 104-107.

48. Гаврильев, Р.И. Метод определения теплофизических свойств горного массива без нарушений естественной структуры / Р.И. Гаврильев, И.Д. Никифоров // ИФЖ, 1983, Т. 45, № 6. С. 10-23.

49. Власов, В.В. Неразрушающий контроль зависящих от температуры коэффициентов тепло- и температуропроводности / В.В. Власов, Ю.С. Шаталов, A.A. Чуриков, Е.Н Зотов // Промышленная теплотехника, 1981, Т. 3, № 3. С. 43-52.

50. Мищенко, C.B. Метод неразрушающего контроля при исследовании температурной зависимости теплофизических характеристик массивных образцов / C.B. Мищенко, A.A. Чуриков A.A., В.Е. Подольский // Вестник ТГТУ, 1995, Т. 1, № 3 -4. С. 246-254.

51. Буренина1, H.A. Неразрушающий контроль теплофизических свойств анизотропных дисперсных материалов / H.A. Буренина Н.А, A.A. Чуриков // Вестник ТГТУ 2000. - Т. 6, № 3. - С. 393 - 401.

52. Корн, К. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Корн Г., Корн Т. М.: Наука, 1968. - 720 с.

53. Буренину H.A. считать Конышевой H.A. в соответствии со свидетельством о заключении брака I-KC № 288828 от 22.08.98.

54. A.C. № 2178166/25 кл. G Ol N 25/18. Способ комплексного определения теплофизических характеристик твердых и дисперсных материалов / C.B. Мищенко, A.A. Чуриков, Г.В. Шишкина. Заявл. 29.11.1999; Опубл. 10.01.2002.

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

56. Кондратьев, Г.М. Тепловые измерения / Г.М. Кондратьев М. - Д.: Машгиз, 1956.-253 с.

57. Сапожников, С.З. Измерение нестационарных тепловых потоков градиентными датчиками на основе анизотропных монокристаллов висмута / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков // Журнал технической физики. 2004. - Т. 74, вып.7 С. 114-120.

58. Геращенко, O.A. Основы теплометрии / O.A. Геращенко. Киев: Наукова думка. 1971. - 192 с.

59. Чередниченко, Ж.В. Исследование метода контроля теплофизических свойств плоских тел при их локальном нагреве: автореф. дис. канд. тех. наук: 05.11.13 Одесса, 1971 -32 с.

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

61. Гордов, А.Н. Точность контактных методов измерения температуры / А.Н. Гордов, Я.В. Малков, H.H. Эргардт, H.A. Ярышев. М.: изд-во стандартов, 1976.-232с.

62. Кулаков, М.В. Измерение температуры поверхности твердых тел / М.В. Кулаков, Б.И. Макаров. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1979. -96 с.

63. Саченко, A.A. Совершенствование методов измерения температуры / A.A. Саченко, Е.Я. Твердых. К.: Техника, 1983.- 104 с.

64. Евтихиев, H.H. Измерение электрических и неэлектрических величин: учеб. пособие для вузов / H.H. Евтихиев, Я.А. Купершмидт, В.Ф.

65. Папуловский, В.Н. Скугоров; под общей ред. H.H. Евтихиева. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.

66. Цветков, Э.В. Процессорные измерительные средства / Э.И Цветков. -JL: Энергоатомиздат, 1989. 224с.

67. Алиев, Т.М. Измерительная техника: учеб. пособие для техн. вузов. Т.М. Алиев, A.A. Тер-Хачатуров. -М.: Высш. шк., 1991, 346 с.

68. Мищенко, C.B. Анализ и синтез измерительных систем / C.B. Мищенко, Э.И. Цветков, В.Н. Чернышов. Тамбов: ТГТУ, 1995. - 238 с.

69. Арутюнов, П.А. Теория и применение алгоритмических измерений / П.А. Арутюнов М.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.

70. Демидович, Б.П. Основы вычислительной математики / Б.П. Демидович, И.А. Марон М.: Наука, 1970. - 664 с.

71. Самарский, A.A. Введение в численные методы / A.A. Самарский. М.: Лань, 2005, - 288 с.

72. Фильчаков, П.Ф. Справочник по высшей математике / П.Ф. Фильчаков.- Киев: Наукова Думка, 1974. 743 с.71.3айдель, А.Н. Ошибки измерений физических величин / А.Н. Зайдель -Л.: Наука, 1974, 108 с.

73. Маркин, Н.С. Метрология. Введение в специальность / Н.С. Маркин,

74. B.C. Ершов М.: Издательство стандартов, 1991. - 208 с.

75. Пономарёв, C.B. Методы и устройства для измерения эффективных теплофизических характеристик потоков технологических жидкостей /

76. C.B. Пономарёв, C.B. Мищенко Тамбов: ТГТУ, 1997, - 249 с.

77. Геращенко, O.A. Температурные измерения. Справочник / O.A. Геращенко, А.Н. Гордов, А.К. Ерёмина и др. Киев: Наук, думка, 1989.- 704 с.

78. Чистяков, B.C. Краткий справочник по теплотехническим измерениям / B.C. Чистяков М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.76,Осипова, В.И. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. М.: Энергия, 1979. - 243 с.

79. Названцева, Г.В. Методика обеспечения минимальной погрешности неразрушающего теплофизического контроля дисперсных сред // Г.В. Названцева, A.A. Чуриков Труды ТГТУ: Сб. научных статей молодых ученых и студентов, 1995. - 238 с.

80. Конышева, H.A. Поиск оптимальных параметров теплового неразрушающего контроля твердых ортотропных материалов / H.A. Конышева, A.A., Чуриков, Г.В. Шишкина // Контроль. Диагностика. 2010. №7 (145). С. 21-29.

81. Новицкий, П.В. Оценка погрешностей результатов измерений / И.В. Новицкий, И.А. Зограф Д.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. -304 с.

82. Шишкина, Г.В. Выбор оптимальных геометрических и временных параметров теплофизического эксперимента / Г.В. Шишкина, A.A. Чуриков // Информационные процессы и управление: Рецензируемый Интернет-журнал 2006. № 1.

83. Волчок, Л. Я. О погрешности приборов, обусловленной теплообменом измерительной проволоки с державками // Инж.-физ. журн., 1959, Т. 2, №6.-С. 9-17.

84. Козлов, В.В. Поверка средств неразрушающего контроля. М.: из-во Стандартов, 1989. - 215 с.

85. Новиченок, Л.Н. Теплофизические свойства полимеров / Л.Н. Новиченок, З.П. Шульман Минск: наука и техника, 1971.-е. 120.

86. Большой энциклопедический словарь М.: Науч. изд-во "Большая Российская экнциклопедия", 2000, с. 1434.

87. Япарова, Н.М. Использование методов проекционной регуляризации при решении обратной задачи теплопроводности // Известия челябинского научного центра. Математика. 2008, вып. 1 (39), С. 15-19.

88. Стефанюк, Е.В. Получение приближённых аналитических решений при рассогласовании начальных и граничных условий в задачах теории теплопроводности / Е.В. Стефанюк, В.А. Кудинов // Известия вузов. Математика. 2010, № 4, С. 63-71.

89. Свидетельство № 2008610878 о государственной регистрации программы для ЭВМ. Расчёт математической модели теплопереноса для одностадийного метода неразрушающего контроля комплекса теплофизических свойств твёрдых анизотропных материалов /

90. Каменский A.M., Конышева Н.А, Чуриков A.A. Заявлено 24.12.2007, зарегистрировано 20.02.2008.

91. Таблицы физических величин / Под ред. академика И. К. Кикоина. -М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.

92. Кассандрова, О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений / О.Н. Кассандрова, В.В. Лебедева М.: Наука, 1970. - 104 с.

93. Вержбицкий, В.М. Численные методы (линейная алгебра и нелинейные уравнения) / В.М. Вержбицкий М.: Высш. шк., 2000. - 432 с.

94. Самарский, A.A. Введение в численные методы / A.A. Самарский М.: Лань, 2005.-288 с.

95. Чистяков, Ю.А. Методика поверки рабочих средств измерения теплопроводности, удельной теплоёмкости и температуропроводности твёрдых тел. МИ 115-77 / Ю.А. Чистяков, Л.П. Лёвина М.: Изд-во стандартов, 1978. -11 с.

96. Вострокнутов, H.H. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания, поверка / H.H. Вострокнутов М.: Энергоатомиздат, 1990. -208 с.

97. Зольдович, Я.Б. Элементы прикладной математики / Я.Б. Зольдович, А.Д. Мышкис, 1967, 250 с.

98. Сергеев, O.A. Метрологические основы теплофизических измерений / O.A. Сергеев-М.: из-во стандартов, 1972, 154 с.