Метод и измерительное устройство бесконтактного оперативного неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Попов, Роман Владимирович

• Попов, Роман Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Попов, Роман Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ БЕСКОНТАКТНОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТФС МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ.

1.1 Общая характеристика проблемы измерения теплофизических свойств (ТФС) твердых материалов.

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

1.3 Постановка задачи исследования.

1.4 Выводы.

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ИССЛЕДУЕМЫХ ОБЪЕКТАХ ПРИ БЕСКОНТАКТНОМ ТЕПЛОВОМ В03ДЕЙСТВИИ НА НИХ ОТ НЕПОДВИЖНОГО 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 МЕТОД БЕСКОНТАКТНОГО ОПЕРАТИВНОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ.

4 МИКРОПРОЦЕССОРНОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО БЕСКОНТАКТНОГО ОПЕРАТИВНОГО НК ТФС ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ.

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

4.2 Микропроцессорное устройство бесконтактного оперативного

НК ТФС твердых материалов.

4.3 Алгоритм работы микропроцессорного устройства.

4.4 Выводы.

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДА БЕСКОНТАКТНОГО ОПЕРАТИВНОГО НК ТФС ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ.

5.1 Анализ погрешностей разработанного метода.

5.2 Экспериментальные исследования метода и измерительного устройства бесконтактного оперативного НК ТФС твердых материалов.

5.3 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод и измерительное устройство бесконтактного оперативного неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов»

Развитие многих отраслей промышленности требует применения не только 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 качественными свойствами и эксплуатационными характеристиками.

Сложность и большой объем экспериментальных исследований по определению качества, долговечности и надежности синтезированных материалов, а также готовых изделий, требуют как совершенствования традиционных, так и создания новых, более 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 и производительность измерений, возможность широкого применения в автоматизированных системах управления (АСУ) технологического процесса (ТП). Достоверность и точность результатов измерения с помощью этих методов и средств зависят от многих немаловажных факторов, в частности, от выбора точек контроля избыточных температур на поверхности исследуемых объектов, от решения задач, связанных с учетом тепловых потерь в окружающую среду с поверхности контролируемых материалов и изделий и т.д. Гарантия сохранения целостности исследуемых объектов зависит от задания тепловых режимов при проведении теп-лофизического эксперимента. Поэтому актуальной задачей является создание методов и устройств, позволяющих учесть влияние данных факторов и тем самым, повысить точность контроля ТФС.

Кроме того, как известно, теплофизические измерения отличаются сложностью и трудоемкостью проведения измерительного эксперимента. Поэтому разработка новых бесконтактных методов и реализующих их устройств 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 ап-паратостроение, 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 разработка новых методов, позволяющих решать эту задачу, также является актуальной.

Цель работы. Разработка и внедрение в практику нового бесконтактного метода и реализующего его микропроцессорного устройства НК ТФС твердых материалов, позволяющего повысить оперативность и точность контроля искомых свойств.

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 исследуемом объекте при бесконтактном тепловом воздействии на него от неподвижного точечного источника тепла, которая учитывает тепловые потери, оказывающие существенное влияние на температурное поле исследуемого объекта при таком виде воздействия;

- определить диапазоны изменения основных параметров этой модели, при которых она адекватно описывает физический процесс распространения тепла в исследуемом объекте;

- разработать и исследовать на основе полученной физико-математической модели новый, более эффективный в метрологическом отношении бесконтактный метод НК ТФС твердых материалов;

- разработать микропроцессорное устройство, реализующее этот бесконтактный метод НК ТФС твердых материалов;

- провести метрологический анализ метода и устройства 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, операционном исчислении, математическом моделировании, метрологии и метрологическом эксперименте с использованием эталонных образцов материалов, а также на результатах выполнения научно-исследовательских работ на базах кафедры "Криминалистика и информатизация правовой деятельности" Тамбовского государственного технического университета, Тамбовского областного отделения "Российское общество по неразрушающему 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 неподвижного точечного источника тепла, разработан новый бесконтактный метод контроля ТФС, имеющий достаточную для технологического контроля точность, большую оперативность, полную гарантию сохранения целостности объекта исследования и позволяющий значительно уменьшить влияние на результаты эксперимента состояния поверхности исследуемого объекта, ее степени черноты и происходящих с нее тепловых потерь; проведен метрологический анализ разработанного метода на аналитической основе.

Практическая ценность работы заключается в том, что для реализации в лабораторных и производственных условиях разработанного метода бесконтактного оперативного НК ТФС твердых материалов, который защищен патентом РФ на изобретение № 2251098, создано микропроцессорное устройство с соответствующим алгоритмическим и программным обеспечением, позволяющее контролировать ТФС широкого класса твердых материалов с высокой для теплофизических экспериментов точностью.

Реализация результатов. При непосредственном участии автора работы создано и внедрено измерительное устройство бесконтактного оперативного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов. Результаты диссертационной работы приняты к использованию в ОАО «Завод подшипников скольжения» (г. Тамбов) и ОАО «Тамбовполимермаш» (г. Тамбов).

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на XV Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Тамбов, 2002), VIII научной конференции (Тамбов, 2003), Школе-семинаре молодых ученых "Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции" (Тамбов, 2003), на IX научной конференции (Тамбов,

2004), 3-й международной конференции "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности" (Москва, 2004), Всероссийской научно-технической конференции «Энергосбережение и энергоэффективные технологии - 2004» (Липецк, 2004), Пятой Международной теплофизической школе "Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством" (Тамбов, 2004).

Публикации, По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе получен патент РФ на изобретение № 2251098.

Структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка используемых источников, работа изложена на 125 страницах, содержит 13 рисунков, 4 таблицы и 72 наименования библиографического указателя.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Попов, Роман Владимирович

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Разработана математическая модель тепловых процессов в исследуемых объектах при бесконтактном тепловом воздействии на них от неподвижного точечного источника тепла, позволяющая учитывать тепловые потери с поверхности исследуемых объектов, оказывающие существенное влияние на их температурное поле при указанном виде теплового воздействия, и определена область применения этой модели.

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 разработан новый, более эффективный в метрологическом отношении метод бесконтактного оперативного НК ТФС твердых материалов, отличающийся более высокой точностью, обусловленной отсутствием в измерительной установке подвижных элементов, вносящих дополнительные погрешности в результаты измерений.

4. Проведен анализ погрешности результатов измерений по разработанным бесконтактным методам на базе аналитических соотношений, полученных с использованием математических моделей объектов измерений.

5. Для названного выше метода 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.

6. Разработано и внедрено в производство микропроцессорное устройство, реализующее новый метод бесконтактного оперативного НК ТФС твердых материалов, позволяющее в автоматическом режиме провести теп-лофизический эксперимент, выполнить расчет искомых ТФС, внести необходимую коррекцию в результаты измерений и представить эти результаты в удобной форме.

7. Проведены экспериментальные исследования разработанного метода НК ТФС и реализующего его микропроцессорного устройства. Результаты метрологических экспериментов показали корректность и эффективность разработанного метода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Попов, Роман Владимирович, 2005 год

1. А.с. №1081507 СССР, МКИ G01N 25/18. Способ определения тепло-и температуропроводности материалов / В.Н. Чернышев и др. -№3568145/18-25; 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 В.В. М.: Машиностроение, 1976. - Т2, 182 с.

6. Тепловые методы неразрушающего контроля изделий и элементов радиоэлектроники // Измерения, контроль, автоматизация. 1979. - №5 - С. 13-24.

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 А.А. Методы нестационарной теплопроводности. М.: Высш. шк., 1978. - 328 с.

11. 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. Коротков 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 А.В. 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 теплофи-зическим 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 Н.А. 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 А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. М.: Госэнергоиздат, 1963. - 535 с.

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

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

29. А.с. №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. А.с. №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. А.с. №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. А.с. №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. А.с. № 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. А.с. №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. А.с. № 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 Н.А. 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 неразрушающего 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. Патент РФ № 2168168. Способ бесконтактного контроля теплофизических характеристик материалов/ Сысоев Э.В., Чернышов В.Н., Чернышова Т.И. Заявл. 4.08.1999; Опубл. 27.05.2001.

44. Патент РФ № 2166188. Бесконтактный адаптивный способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов/ Чернышов В.Н., Чернышова Т.И., Сысоев Э. В., Заявл. 5.01.2000; Опубл. 27.04.2001.

45. Патент РФ № 2208778. Способ бесконтактного контроля теплофизических свойств материалов/Сысоев Э.В., Чернышов В.Н. , Чернышов А.В. -Заявл. 12.01.2001; Опубл. 20.07.2003.

46. Патент РФ № 2211446. Способ бесконтактного контроля теплофи-зических свойств материалов и устройство для его осуществления/Сысоев Э.В., Чернышов А.В. Заявл. 26.06.2001; Опубл. 27.08.2003.

47. Рыкалин Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Маш-гиз, 1951-296 с.

48. Попов Р. В., Сысоев Э. В. Бесконтактный метод неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов // IX научная конференция: Пленарные докл. и краткие тез. Тамб. гос. тех. ун-т, 2004. С. 111 -112.

49. Попов Р. В., Чернышов В. Н., Сысоев Э. В. Метод бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и устройство для его осуществления // Контроль. Диагностика. М, 2004 - № 12 (78). -С. 37 - 42.

50. Патент РФ № 2251098. Способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов / Попов Р. В., Чернышов В. Н., Сысоев Э. В. Заявл. 17.11.2003; Опубл. 27.04.2005.

51. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. М: Наука, 1964.-772 с.

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

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

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

55. 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.

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

57. Хадсон Р. Инфракрасные системы: пер. с англ. М.: Мир, 1972.536 с.

58. Справочник по лазерной технике: пер. с нем. М.: Энергоатомиз-дат, 1991.-544 с.

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

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

61. 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.

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

63. 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.

64. 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. -11с.