Информационно-измерительные системы неразрушающего контроля теплофизических свойств композитных строительных материалов и изделий с использованием СВЧ-нагрева тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат наук Удалова Анастасия Петровна

• Удалова Анастасия Петровна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Удалова Анастасия Петровна

ВВЕДЕНИЕ

1 ИНФОРМАЦИОННЫЙ ОБЗОР И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ.... 9 1.1Классификация и принципы построения информационно-измерительных систем

1.2 Обзор информационно-измерительных систем контроля теплофизических свойств твердых материалов

1.2.1 Способ и реализующая его система неразрушающего контроля ТФС строительных материалов и изделий

1.2.2 Микропроцессорная ИИС, реализующая бесконтактный микроволновый экспресс-метод неразрушающего контроля ТФС строительных материалов и изделий

1.2.3 Микропроцессорная ИИС, реализующая бесконтактный микроволновый метод неразрушающего контроля ТФС материалов и изделий

1.2.4 Микропроцессорная ИИС, реализующая способ неразрушающего контроля теплофизических свойств строительных материалов многослойных конструкций

1.3 Постановка задачи

1.5 Выводы

2 МИКРОВОЛНОВЫЕ МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ Композитных строительных МАТЕРИАЛОВ И

ИЗДЕЛИЙ

2.1 Микроволновый адаптивный метод неразрушающего контроля ТФС композитных строительных материалов и изделий

2.1.1 Вариант микроволнового адаптивного метода неразрушающего контроля ТФС строительных материалов и изделий

2.1.2 Второй вариант микроволнового адаптивного метода неразрушающего контроля ТФС строительных материалов и изделий

2.2 Микроволновый метод неразрушающего контроля ТФС трехслойных строительных конструкций

2.3 Выводы

3 ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, РЕАЛИЗУЮЩИЕ РАЗРАБОТАННЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ МЕТОДЫ

3.2 Информационно-измерительная система, реализующая микроволновый адаптивный метод НК ТФС композитных строительных материалов и изделий

3.3 Информационно-измерительная система, реализующая микроволновый метод неразрушающего контроля ТФС трехслойных строительных конструкций и изделий

3.4 Выводы

4 МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И РЕАЛИЗУЮЩИХ ИХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

4.1 Анализ погрешности микроволнового адаптивного метода неразрушающего контроля ТФС композитных строительных материалов и изделий

4.2 Анализ погрешности варианта адаптивного микроволнового метода неразрушающего контроля ТФС строительных материалов

4.3 Анализ погрешности второго варианта адаптивного микроволнового метода неразрушающего контроля ТФС строительных материалов и изделий

4.4 Анализ погрешности микроволнового метода неразрушающего контроля ТФС трехслойных строительных конструкций

4.5 Анализ основных факторов, влияющих на точность измерений

4.6 Экспериментальные исследования предложенных методов

4.6 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

104

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационно-измерительные системы неразрушающего контроля теплофизических свойств композитных строительных материалов и изделий с использованием СВЧ-нагрева»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В настоящее время остро стоит вопрос о рациональном использовании топливно-энергетических ресурсов, в связи с чем активно ведется синтез различных теплоизолирующих строительных материалов (пенобетоны, газонаполненные пенопласты и т.д.), теплозащитные свойства которых выше по сравнению с традиционными строительными материалами. Кроме того, часто в строительной теплотехнике возникает задача определения теплозащитных свойств готовых многослойных конструкций, теплофизические свойства (ТФС) которых в процессе эксплуатации могут меняться из-за воздействия различных дестабилизирующих факторов. При этом важно сохранить целостность исследуемых строительных объектов. Поэтому задача контроля ТФС материалов и готовых изделий с сохранением их эксплуатационных характеристик является актуальной, и для ее решения необходимо создавать новые информационно-измерительные системы (ИИС) неразрушающего контроля (НК) ТФС исследуемых объектов.

Степень разработанности темы исследования. Вопросам создания ИИС и измерительной техники посвящены труды таких отечественных ученых, как М. П. Цапенко, О. Н. Новоселов, А. Ф. Фомин. К числу зарубежных ученых, чьи работы посвящены тематике создания ИИС, относятся Х. Харт, У. Томпкинс, Дж. Уэбстер, которые подробно рассмотрели особенности функционирования как отдельных блоков, так и измерительных систем в целом.

При решении задачи энергосбережения в строительстве наиболее перспективно применение методов и реализующих их средств НК ТФС, использующих СВЧ-нагрев исследуемых объектов. Теория воздействия микроволнового излучения хорошо разработана и позволяет подобрать оптимальные параметры для осуществления теплового воздействия, достаточного для прогрева большого объема исследуемого материала, что позволяет получить интегральные и усредненные по объему значения избыточных температур, необходимых для получения более достоверной информации о ТФС строительных

материалов, как правило, дисперсных, анизотропных и неоднородных. Созданные ранее системы НК ТФС материалов подтвердили их работоспособность на практике, однако, для повышения точности определения искомых ТФС дальнейшие исследования в этом направлении актуальны и целесообразны.

Объект исследования: информационно-измерительные системы неразрушающего контроля ТФС строительных материалов и изделий.

Предмет исследования: теплозащитные свойства строительных материалов и изделий.

Цель диссертационной работы: разработка и исследование ИИС НК ТФС с строительных материалов и изделий с использованием СВЧ-нагрева, позволяющих с необходимой для строительной теплотехники точностью определять теплозащитные свойства строительных материалов и готовых конструкций.

Задачи диссертационной работы:

1. Проанализировать особенности существующих систем НК ТФС строительных материалов и изделий.

2. Разработать микроволновые методы, позволяющие без нарушения целостности и эксплуатационных свойств исследуемых объектов с необходимой для технологических измерений точностью определять ТФС строительных материалов и изделий.

3. Синтезировать информационно-измерительные системы, реализующие разработанные микроволновые методы НК ТФС.

4. Провести метрологический анализ разработанных методов и информационно-измерительных систем с выделением доминант общей составляющей погрешности для целенаправленного воздействия на источники этих погрешностей.

5. Провести экспериментальную проверку разработанных методов на образцах с известными температуропроводностью и теплопроводностью.

Научная новизна диссертационного исследования:

1. Разработана ИИС, позволяющая реализовать три варианта адаптивного микроволнового метода НК ТФС строительных материалов и изделий,

отличительной особенностью которой является адаптивный поиск частоты импульсного теплового воздействия по линии заданных размеров на исследуемые объекты для достижения в них квазистационарного режима нагрева, при котором осуществляется прогрев большого объема исследуемых строительных материалов, являющихся, как правило, дисперсными, анизотропными и неоднородными, что позволяет получить более точные, усредненные по объему искомые ТФС исследуемых материалов.

2. Разработана ИИС, реализующая микроволновый метод НК ТФС трехслойных строительных конструкций, отличающаяся тем, что для определения ТФС каждого из наружных слоев вначале рассчитывают частоту микроволнового излучения, необходимую для прогрева не более 2/3 толщины исследуемого наружного слоя, что позволяет исключить влияние ТФС внутреннего слоя на результаты контроля и повысить точность определения искомых ТФС. Для определения ТФС внутреннего слоя рассчитывают частоту микроволнового излучения, необходимую для прогрева наружного слоя на 2...5 мм, при этом наружный слой исследуемого объекта выступает в роли нагрева-теля, что исключает значительную долю в общей погрешности измерений, обусловленную влиянием собственной теплоемкости нагревателя, контактного термосопротивления между поверхностями исследуемого материала и нагревателя, состояния поверхности исследуемого материала (шероховатость) и т.д. Прогрев исследуемой трехслойной строительной конструкции осуществляют до появления теплового потока на противоположной нагреву стороне. Получив информацию о величине теплового потока, температурах на обеих наружных поверхностях в зоне теплового воздействия, по известным соотношениям определяют искомые ТФС внутреннего слоя. В итоге определяются ТФС всех трех слоев конструкции без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик, что является отличительной особенностью метода.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость проведенных исследований определяется разработанными микроволновыми методами НК ТФС строительных материалов и изделий,

позволяющими с необходимой для строительной теплотехники точностью контролировать теплозащитные свойства исследуемых неоднородных, анизотропных строительных материалов и трехслойных строительных конструкций. Практическая значимость определяется разработанными информационно-измерительными системами с соответствующим алгоритмическим, программным и метрологическим обеспечением, дающими возможность увеличить перечень тепловых методов и средств контроля ТФС теплозащитных строительных материалов. Технические решения, использованные при разработке методов и реализующих их средств, признаны изобретениями.

Методология и методы исследования. В основу данного исследования положены аналитическая теория теплопроводности, термодинамика, теория распространения электромагнитных волн и электромагнитного поля, математическая физика и моделирование, метрология и метрологический эксперимент.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанный адаптивный микроволновый метод и реализующая его информационно-измерительная система НК ТФС строительных материалов и изделий с использованием СВЧ-нагрева.

2. Разработанный микроволновый метод и реализующая его информационно-измерительная система НК ТФС трехслойных строительных конструкций.

Степень достоверности и апробация результатов. Степень достоверности полученных результатов подтверждается качественным и количественным совпадением результатов, полученных автором, с результатами, представленными в независимых источниках по данной тематике (совпадением со справочными данными).

Результаты диссертационной работы приняты к использованию на заводе силикатного кирпича ООО «Инвестиционная индустрия» г. Тамбов, а также в учебном процессе ФГБОУ ВО «ТГТУ».

Результаты, полученные в ходе выполнения исследований, докладывались на следующих конференциях: Одиннадцатой Международной теплофизической

школе «Информационно-сенсорные системы в теплофизических исследованиях», Тамбов, 2018; Четвертой Всероссийской молодежной научной конференции «Радиоэлектроника. Проблемы и перспективы развития», Тамбов, 2019; VI и VIII международных научно-технических конференциях студентов, молодых ученых и специалистов «Энергосбережение и эффективность в технических системах», Тамбов, 2019, 2021; Всероссийской научной конференции «Цифровая трансформация в энергетике», Тамбов, 2020; 2nd and 3rd International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA), Lipetsk, 2020, 2021; Двенадцатой Международной теплофизической школе «Теплофизика и информационные технологии», Тамбов, 2021.

Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям), п. 6 Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 18 печатных работах, в том числе 3 статьи - в рецензируемых научных изданиях, входящих в международные реферативные базы данных и системы цитирования, 3 статьи - в изданиях, включенных в перечень ВАК при Министерстве науки и высшего образования РФ, 8 публикаций в материалах международных и всероссийских конференций. Получено 2 патента РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, список используемой литературы, включающий 55 источников, и три приложения. Диссертационная работа изложена на 145 страницах, содержит 22 рисунка, 12 таблиц.

1 ИНФОРМАЦИОННЫЙ ОБЗОР И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

И ИЗДЕЛИЙ

1.1 Классификация и принципы построения информационно-измерительных систем

Постоянное развитие строительной отрасли обусловило интерес к технологиям, позволяющим получить строительные материалы, обладающие более высокими показателями теплозащитных свойств. Для контроля и диагностики качества таких материалов как на этапе производства, так и в процессе дальнейшей эксплуатации, необходимо проводить контрольно-измерительные операции с применением информационно-измерительных систем, являющихся симбиозом аппаратных средств и алгоритмов обработки измерительной информации.

Предлагаемая в [19] классификация ИИС построена по принципу разделения области, характеризуемой каждым выбранным признаком, на две непересекающиеся области. В соответствии с таким подходом ИИС можно классифицировать по следующим признакам:

- по разновидности входных величин;

- по виду выходной информации;

- по принципам построения.

Классификация по разновидности входных величин включает следующие классификационные признаки: количество величин (одна или две и более), поведение во времени (неизменное или изменяющееся), расположение в пространстве (сосредоточенное в точке или распределенное по пространству), характер величин (непрерывный или дискретный), энергетический признак (активные или пассивные), взаимосвязь помех с входными величинами (независимые помехи или помехи, связанные с входными величинами).

По виду выходной информации ИИС можно разделить на ИИС, на выходе которых получается измерительная информация (именованные числа и их отношения) и на ИИС, выдающие количественные суждения о состоянии исследуемых объектов (контрольные, диагностические, распознающие).

Принципы построения ИИС классифицируются по наличию специального канала связи, порядку выполнения операций получения информации (последовательный или параллельный), агрегатированию состава системы, использованию стандартного интерфейса, наличию программно-управляемых вычислительных устройств, наличию обратной связи, изменению скоростей получения и выдачи информации, сигналам (аналоговые или цифровые), структуре и информационной избыточности, адаптации к исследуемым величинам.

Информационно-измерительные системы создаются для выполнения определенного спектра задач и достижения поставленной цели. Показателем работы ИИС является достоверность получаемой информации, определяющаяся погрешностью измерения. При проектировании любой ИИС необходимо руководствоваться системотехническим подходом и общими принципами организации сложных технических систем [20-23]:

- принцип сочетания системности и агрегирования;

- принцип однородности иерархического уровня;

- принцип максимальной функциональной замкнутости;

- принцип минимизации старших иерархических информационных связей;

- принцип наращиваемости аппаратуры;

- принцип физической однородности распределения функций.

Создание ИИС включает следующие этапы:

1. Формулирование цели создания ИИС, выбор физической и математической модели исследуемого объекта и описания протекающих в нем процессов.

2. Разработка алгоритмов функционирования ИИС при сборе и обработке измерительной информации.

3. Разработка схемы ИИС и выбор технических средств, входящих в состав системы.

4. Разработка программного обеспечения.

5. Разработка метрологического обеспечения [24-27].

Информационно-измерительные системы, созданные на базе описанных выше принципов, позволят осуществлять контроль искомых ТФС строительных материалов и изделий с достаточной для технологических измерений точностью, что расширит перечень существующих систем неразрушающего контроля.

1.2 Обзор информационно-измерительных систем контроля теплофизических

свойств твердых материалов

1.2.1 Способ и реализующая его система неразрушающего контроля ТФС

строительных материалов и изделий

В [28, 29] описаны способ и реализующая его система неразрушающего контроля ТФС строительных материалов и изделий с использованием энергии микроволнового излучения для нагрева исследуемых объектов. Данный способ заключается в импульсном воздействии на исследуемое полуограниченное в тепловом отношении тело энергией СВЧ-излучения и измерении температурно-временных параметров в точках х1 и х2, расположенных на заданном расстоянии на линии нагрева, в заданный момент времени. Для фокусировки электромагнитного излучения СВЧ-диапазона линию заданной длины используют систему из рупорно-линзовых антенн. Тепловое воздействие осуществляется по плоскости, перпендикулярной внешней поверхности исследуемого объекта. Искомые ТФС определяют по полученным математическим соотношениям.

Вместе с тем, контроль значений избыточных температур осуществляют в одной точке контроля х1, расположенной на заданном расстоянии от линии нагрева, в два заранее заданных момента времени т1 и т2. После подачи первого импульса и измерения значения избыточной температуры через интервал времени релаксации температурного поля подают второй электромагнитный импульс большей

мощности и измеряют значение избыточной температуры в точке контроля х1. Имея информацию о времени контроля и значениях избыточных температур, мощности СВЧ-излучения, определяют искомые ТФС исследуемых строительных материалов.

Для повышения оперативности тепловое воздействие вторым электромагнитным импульсом осуществляют на другом участке поверхности исследуемого объекта, расположенном на значительном расстоянии от зоны теплового воздействия первого импульса.

Измерительная система, реализующая данный способ, представлена на рисунке 1.1 и включает в себя исследуемый объект 1, линию теплового воздействия 2, излучающую антенну 3, радиопрозрачную линзу 4, СВЧ-генератор 5, термопары 6, коммутатор 7, нормирующий прецизионный усилитель 8, АЦП 9, микропроцессорное устройство 10.

Недостатком описанной системы является неадекватность математической модели реальному процессу распространения тепла, т.к. не учитывается двумерность распространения теплового потока, т.е. при перпендикулярном к поверхности исследуемого объекта тепловом воздействии тепловой поток распространяется вдоль осей х и 2. Данный недостаток является источником методической погрешности.

Рисунок 1.1 - Схема способа неразрушающего контроля ТФС строительных

материалов и изделий

1.2.2 Микропроцессорная ИИС, реализующая бесконтактный микроволновый экспресс-метод неразрушающего контроля ТФС строительных материалов и изделий

В [30, 31] разработана система, реализующая бесконтактный микроволновый экспресс-метод неразрушающего контроля ТФС исследуемых строительных материалов и готовых изделий. Сущность работы ИИС заключается в тепловом воздействии импульсом СВЧ-излучения по плоскости под углом 0' к поверхности исследуемого объекта, сфокусированного линзовой антенной на исследуемый строительный материал в линию заданных размеров, длительностью 10.. .15 с (рисунок 1.2), после чего контролируют температуру в точках контроля, расположенных на расстояниях х1 и х2 от линии теплового воздействия. Имея справочную информацию о диэлектрической проницаемости исследуемого материала, а также значения мощности и частоты СВЧ-воздействия на

исследуемый объект, значения избыточных температур в контролируемых точках в заданный момент времени, искомые ТФС определяют по полученным математическим соотношениям. В результаты измерений вводится поправка на тепловые потери в окружающую среду, возникающие из-за отражения от поверхности исследуемого объекта части энергии излучения СВЧ-диапазона в окружающую среду после осуществления теплового воздействия под углом 0' к поверхности исследуемого образца.

Рисунок 1.2 - Схема ИИС, реализующей микроволновый метод НК ТФС материалов и изделий (1 - рупорно-линзовая антенна; 2 - СВЧ-генератор; 3 -линия теплового воздействия; 4 - исследуемый материал; 5 - бесконтактные инфракрасные датчики температуры; 6 - коммутатор; 7 - нормирующий прецизионный усилитель; 8 - АЦП; 9 - микропроцессор; 10 - порт ввода-вывода;

11 - индикатор)

Недостатком данной микропроцессорной ИИС является воздействие одиночным импульсом, что не позволяет контролировать высокие по уровню

температуры для получения более точных результатов измерений, а при высокой мощности СВЧ-излучения возможен нагрев исследуемого объекта до температуры, большей чем температура термодеструкции исследуемого материала, что приведет к нарушению целостности исследуемого объекта. Кроме того, данный метод и реализующая его система не позволяют прогреть большой объем исследуемого материала и получить усредненные по объему интегральные значения температур для более точного расчета ТФС исследуемых строительных материалов, являющихся дисперсными, неоднородными и анизотропными.

1.2.3 Микропроцессорная ИИС, реализующая бесконтактный микроволновый метод неразрушающего контроля ТФС материалов и

изделий

В [32-34] предложена система, реализующая бесконтактный микроволновый метод неразрушающего контроля ТФС строительных материалов и изделий, сущность которого состоит в воздействии на поверхность исследуемого строительного материала электромагнитным полем излучения СВЧ-диапазона с частотой не менее 10 ГГц. Нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела осуществляют через круговую область и измеряют температуры в центре круга и окружающей среды (рисунок 1.3) в заданный момент времени.

Рисунок 1.3 - Схема бесконтактного метода неразрушающего контроля ТФС материалов (1 - рупорная антенна; 2 - СВЧ-генератор с ФАПЧ; 3 - исследуемый объект; 4 - круговая область теплового воздействия; 5 - бесконтактный датчик

измерения температуры; 6 - цифровой термометр; 7 - коммутатор; 8 -нормирующий прецизионный усилитель; 9 - АЦП; 10 - микропроцессор; 11 -

порт ввода-вывода; 12 - индикатор)

Имея информацию о мощности генератора СВЧ-излучения, воздействующего на исследуемый объект, температуре окружающей среды, избыточной температуре в центре круга, искомые ТФС находят по полученным математическим соотношениям. Для исключения погрешности, возникающей вследствие неучета тепловых потерь в окружающую среду с поверхности круга теплового воздействия, используя информацию о температуре на поверхности круговой области и окружающей среды, определяют величину этих тепловых потерь и вносят алгоритмическую коррекцию в результаты измерений.

Недостатком данной микропроцессорной ИИС является контроль избыточной температуры в заданный момент времени, т.к. существует

возможность нагрева исследуемого объекта до температуры, превышающей температуру термодеструкции исследуемого материала, что приведет к нарушению целостности исследуемого объекта.

1.2.4 Микропроцессорная ИИС, реализующая способ неразрушающего контроля теплофизических свойств строительных материалов

многослойных конструкций

Известна ИИС, реализующая способ неразрушающего контроля теплофизических свойств строительных материалов многослойных конструкций [35, 36], состоящий в адиабатическом тепловом воздействии на поверхность наружного слоя конструкции дисковым нагревателем, расположенным в плоскости измерительного зонда (рисунок 1.4), окаймленного охранным теплоизоляционным кольцом, и регистрации зависимости температуры поверхности исследуемого материала от времени. На каждой из наружных поверхностей трехслойной конструкции установлены по одному зонду, в плоскости контакта первого и второго зондов расположены дисковый нагреватель ДН и два линейных нагревателя ЛН1 и ЛН2, зафиксированные на заданном расстоянии от дискового нагревателя. Термопара Тп1 помещена в центр контактной плоскости дискового нагревателя ДН. Две термобатареи Тб\ и Тб2 расположены по линии на заданном расстоянии х1 от линейных нагревателей ЛН1 и ЛН2. В плоскости контакта второго термозонда расположен датчик теплового потока Tq, а на заданном расстоянии от него размещены два линейных нагревателя ЛН3 и ЛН4. Термобатареи Тб3 и Тб4 помещены на заданном расстоянии от линии действия нагревателей ЛН3 и ЛН4. В центре круга датчика теплового потока Tq вмонтирована вторая термопара Тп2.

При определении ТФС наружных слоев исследуемой строительной конструкции осуществляют воздействие одиночным тепловым импульсом и определяют время релаксации температурного поля в точке контроля, расположенной на заданном расстоянии от линии теплового воздействия. Затем определяют минимальную частоту следования тепловых импульсов и осуществляют тепловое воздействие, увеличивая частоту следования тепловых

импульсов до тех пор, пока установившееся квазистационарное значения избыточной температуры в точке контроля достигнет наперед заданного значения. После чего увеличивают частоту следования тепловых импульсов до достижения в точке контроля второго заранее заданного значения избыточной температуры. Имея информацию о мощности, частоте следования тепловых импульсов и температурах в заданных точках контроля, искомые ТФС определяют по полученным математическим зависимостям.

При определении ТФС внутреннего слоя включают дисковый нагреватель и осуществляют нагрев до тех пор, пока на противоположной поверхности исследуемой строительной конструкции появится тепловой поток, фиксируя при этом величину теплового потока и температуру в плоскостях 1 и 4. Имея информацию о ТФС наружных слоев, величине теплового потока на противоположной дисковому нагревателю стороне исследуемой трехслойной конструкции, температурах в плоскостях 1 и 4 по полученным математическим соотношениям определяют ТФС внутреннего слоя.

Рисунок 1.4 - Схема способа неразрушающего контроля теплофизических свойств строительных материалов многослойных конструкций

Большим недостатком данной системы является использование дискового нагревателя для определения ТФС внутреннего слоя, т.к. на результаты измерений большое влияние оказывают собственная теплоемкость нагревателя, контактное термосопротивление между нагревателем и исследуемым объектом, степень прижатия нагревателя к объекту и шерховатость поверхности. Кроме того, при предложенном режиме нагрева для достижения в точке контроля заданного значений контролируемых избыточных температур возможен прогрев наружного слоя насквозь, и в формировании контролируемого температурного поля будут принимать участие теплофизические свойства внутреннего материала, что существенно влияет на точность определения искомых ТФС наружных слоев.

1.3 Постановка задачи

Большинство исследуемых строительных материалов, решающих задачу теплоизоляции и энергосбережения, являются гетерогенными, из-за чего имеют неоднородную структуру. Поэтому для более точного определения их теплофизических свойств необходимо осуществлять нагрев большого объема исследуемого материала и получать интегральные и усредненные по объему значения искомых ТФС. Кроме того, теплофизические свойства строительных материалов под воздействием дестабилизирующих факторов могут изменяться в процессе эксплуатации, поэтому возникает необходимость определять ТФС строительных материалов и изделий без нарушения их целостности и эксплуатационных свойств. Исследования показали, что для решения задачи определения ТФС строительных материалов в процессе производства и реальных условиях эксплуатации использование энергии СВЧ-излучения для нагрева исследуемых объектов имеет следующие преимущества. СВЧ-нагрев позволяет регулировать режимы теплового воздействия и задавать глубину проникновения тепловой энергии, вид и форму теплового воздействия, определять область нагрева, что позволяет использовать ранее разработанные и апробированные модели описания тепловых процессов в создаваемых микроволновых методах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Удалова Анастасия Петровна, 2022 год

источника

Зависимость глубины проникновения от частоты СВЧ-излучения для красного и силикатного кирпича представлена на рисунке 2.7. Так, для прогрева на 0,03 м красного кирпича необходимая частота излучения составляет 4,562 ГГц, для той же глубины силикатного кирпича - 4,945 ГГц.

......Силикатный

кирпич

- \ч Красный

кирпич

1 1 1 1

5 в 5 в 10 10

2x10 4x10 6x10 8x10 1x10 1.2x10

ГГц

Рисунок 2.7 - Зависимость глубины проникновения электромагнитной волны от

частоты СВЧ-излучения

На каждую из наружных поверхностей полубесконечной в тепловом отношении многослойной конструкции (рисунок 2.8) воздействуют сфокусированным в линию линзой из радиопрозрачного материала одиночным тепловым импульсом СВЧ-диапазона длительностью 5...7 секунд с найденной частотой ^

Рисунок 2.8 - Схема микроволнового метода неразрушающего контроля ТФС трехслойных строительных конструкций при определении ТФС наружных слоев

Тепловое воздействие осуществляют под углом 0' к поверхности исследуемого материала, величину которого определяют исходя из следующих соображений [30]. Мощность теплового воздействия затухает по кривой, при этом при воздействии по плоскости, перпендикулярной поверхности исследуемого объекта, изотермы имеют нелинейный вид и температурное поле формируется под воздействием потоков тепла по оси х и по оси 2 (рисунок 2.9, а). Поэтому для исключения дополнительных погрешностей, обусловленных двумерностью распространения теплового потока, определяют угол 0 между поверхностью исследуемого объекта и аппроксимирующей прямой. Для учета влияния преломления волны, попадающей из одной среды в другую, рассчитывают угол преломления в и угол Р' между падающей и преломленной волнами. Затем рассчитывают угол 0' воздействия СВЧ-импульсами

(рисунок 2.9, б). Далее рассчитывают угол Брюстера и определяют, какая часть энергии QоTp СВЧ-импульса, подаваемого под углом 0', отразится от поверхности исследуемого материала (рисунок 2.9, в).

а) б) в)

Рисунок 2.9 - Определение угла наклона источника СВЧ-излучения к

поверхности исследуемого материала

Таким образом, при тепловом воздействии под углом 0' нагрев исследуемых наружных слоев осуществляют по плоскости, перпендикулярной внешней

поверхности пластины верхнего слоя и уходящей внутрь на не более двух третьих ее толщины. Затем при помощи бесконтактных ПИП температуры измеряют значение избыточной температуры в точках контроля х1 и х2. Ширина линии микроволнового воздействия задается в диапазоне 1,5...2 мм, а значение длины задается на порядок больше расстояния от этой линии до точек контроля .1 и х2, для исключения влияния концевых эффектов, обусловленных ограниченностью длины линии теплового воздействия на температурное поле, и составляет не менее 0,08.0,1 м. Имея информацию о значениях избыточных температур в контролируемых точках в заданный момент времени, искомые ТФС определяют на основе следующих рассуждений.

Для описания температурного поля в исследуемом верхнем слое конструкции при воздействии тепловым импульсом по плоскости применяют математическое соотношение в виде [40]

Т (х, т) =

Ь

4Л/

ехр

пат

х

4ат

(2.29)

где b=Q/cp - тепловая активность исследуемого тела, Q - удельная мощность, выделяемая на единицу площади плоскости теплового воздействия, ср - теплоемкость исследуемого тела, а - температуропроводность, т - время, х -координата.

Температурное поле в контролируемых точках х1 и х2 в заданный момент времени т после теплового воздействия описывают системой уравнений:

Т (хь т*)=

Ь

4 л/

ехр

Т т*)=

пат Ь

4

гехр

па т

х^

4ат* у 2.

х22

(2.30)

ч 4ат у

После несложных математических преобразований получают формулу для определения коэффициента температуропроводности в виде

<

*

к

а

2 2 Х2 — Х

4х* 1п

/ * Л '

Т (Хьх ) Т(Х2,х*)

(2.31)

На основании формулы (2.29), используя известное соотношение Х=а-ср, с учетом отраженной энергии получают формулу для определения теплопроводности

Х =

е - ботр - а

'пот

2Т ( хь х*) V

а

ехр

лх

Х-г

2

4ах

(2.32)

где бпот = оБАТ - тепловые потери с поверхности круга в окружающую среду, где

а - коэффициент теплоотдачи исследуемого материала; 5 - площадь круга; АТ -разность между температурой в центре круга и температурой окружающей среды.

Для определения ТФС материалов внутреннего слоя конструкции тепловое воздействие осуществляют на поверхности наружного слоя через круговую область. Диаметр круговой области берётся не менее 0,05... 0,07 м. На рисунке 2.10 показано, как зависит глубина проникновения электромагнитных волн от частоты СВЧ-излучения, а, следовательно, и глубина тепловыделяющей области от частоты излучения СВЧ-генератора при воздействии на исследуемые материалы.

Имея информацию об абсолютной магнитной проницаемости ц0, относительной магнитной проницаемости ц, удельной диэлектрической проницаемости у исследуемого материала и задавшись глубиной проникновения 2 равной 2-3 мм, используя формулу (2.28), определяют частоту / СВЧ-излучения, при которой тепловому воздействию будет подвергаться приповерхностный слой заданной толщины, выполняющий роль нагревателя.

*

г(О 7x10

6x10

,-3

5x10

-3

4x10

-3

3x10

-3

2x10

-3

......Силикатный

- кирпич

-Красный

Хч кирпич

1хЮП 2хЮП ЗхЮ11

4x10

5x10 Гц

Рисунок 2.10 - Зависимость глубины проникновения электромагнитной волны от

частоты СВЧ-излучения

Нагрев осуществляют до тех пор, пока на противоположной поверхности конструкции появится тепловой поток при этом измеряют величину теплового потока.

Имея информацию о мощности источника излучения Qист и радиусе г области теплового воздействия, величину теплового потока, поступающую от источника микроволнового излучения, определяют по формуле

Ч\

а

ист

КГ

2

(2.33)

Т.к. погрешность, обусловленная контактными термосопротивлениями между слоями трехслойной строительной конструкции, готового изделия незначительна, величину теплового потока д2 во внутреннем слое определяют по формуле

42

Ч\ + Чх 2

(2.34)

Перепад температур в первом слое конструкции в соответствии с [41] определяется как

п

АТ = Т - Т2 = 41 -1. (2.35) Л1

Отсюда температура в плоскости 2 определяется из соотношения

Т2 = Т1 - 41 -1. (2.36) Л1

По аналогии, температура в плоскости 3 определяется из соотношения

Т3 - Т4 = 42 V3, т е.

Л 3

Т3 = Т4 - 42т3 • Л3

(2.37)

Используя эти выражения, перепад температуры на внутреннем слое конструкции определяется выражением

Г? т- т- Г Т2 - Т3 = 4х 'г2 Т2 - Т3 = 4x7-Л 2 Л 2

(2.38)

Из выражения (2.38) искомый коэффициент теплопроводности внутреннего слоя конструкции определяется соотношением

Л 2 =

4хГ2 . (Т2 - Т3 )

4хГ2

Т1 - 4х

А

Л

1У

Т4 - 4х

Г

Л

(2.39)

3 У

Для определения коэффициента температуропроводности внутреннего слоя конструкции используем аналитическое решение [42], описывающее распределение температуры по толщине Я2 слоя материала и во времени т при использовании модели полупространства и имеющей вид

Т2 - Т3 = АТ(%х) = ^^вг/с

' Г2 Л

2д/

а2 х

(2.40)

Имея информацию о X и qx и используя известные подробные таблицы для определения функции кратного интеграла вероятности ¡вг[с 2, численным методом из представленного выше выражения легко определить искомый коэффициент температуропроводности а2.

Преимуществом предложенного метода является определение частоты СВЧ-излучения для осуществления теплового воздействия, что позволяет задать глубину проникновения электромагнитной волны в исследуемый материал, не превышающую 2/3 толщины исследуемого наружного слоя, исключив таким образом влияние ТФС внутреннего слоя на результаты измерений. Кроме того, при определении ТФС внутреннего слоя исключение традиционного нагревателя и осуществление нагрева электромагнитной энергией СВЧ-диапазона повышает точность получаемых результатов за счет отсутствия влияния на результаты измерений собственной теплоемкости нагревателя, контактного термосопротивления между нагревателем и исследуемым объектом, степени прижатия нагревателя к объекту и шероховатости поверхности исследуемых объектов.

2.3 Выводы

1. Разработан адаптивный микроволновый метод НК ТФС строительных материалов и изделий, отличительной особенностью которого является адаптивный поиск частоты импульсного теплового воздействия на исследуемые объекты для достижения в них квазистационарного режима нагрева, при котором осуществляется прогрев большого объема исследуемых строительных материалов, являющихся, как правило, дисперсными, анизотропными и неоднородными, что позволяет повысить точность определения искомых ТФС исследуемых материалов. Кроме того, в разработанном методе нагрев исследуемых объектов осуществляется до заранее заданных температур, на 20...30% меньших температуры термодеструкции исследуемого материала, что гарантирует сохранение целостности и эксплуатационных характеристик исследуемых объектов.

2. Разработан вариант вышеописанного метода, в котором измерение избыточных температур происходит во второй точке контроля при достижении в первой точке контроля заранее заданного значения избыточной температуры, что сокращает время теплофизического эксперимента в среднем на 5 минут и повышает оперативность метода.

3. Разработан второй вариант метода, отличительной особенностью которого является контроль избыточных температур в одной точке контроля, расположенной на заданном расстоянии от линии нагрева, при последовательном достижении показаний избыточных температур двух заранее заданных значений, что повышает точность результатов измерений за счет устранения влияния на общую составляющую погрешности доли, вносимой вторым ПИП температуры.

4. Разработан микроволновый метод неразрушающего контроля ТФС трехслойных строительных конструкций, в котором при определении ТФС наружных слоев рассчитывают частоту СВЧ-излучения, необходимую для прогрева 2/3 толщины исследуемого слоя, что не допускает влияния ТФС внутреннего слоя на результаты измерений и позволяет прогреть большой объем исследуемого материала для получения среднеинтегральных по объему значений искомых ТФС. Осуществление теплового воздействия под заданным углом 0' к поверхности исследуемого наружного слоя позволяет учесть двумерность теплового потока, что повышает точность измерений, а учет тепловых потерь в окружающую среду, возникающих вследствие отражения части энергии от поверхности исследуемого объекта, позволяет повысить точность измерений. При определении ТФС внутреннего слоя нагрев осуществляется через круговую область на поверхности исследуемой конструкции СВЧ-излучением с частотой, рассчитанной на прогрев 45 мм наружного слоя исследуемой конструкции, при этом приповерхностный слой исследуемой конструкции выполняет роль нагревателя, что исключает влияние на результаты измерений контактного термосопротивления между поверхностью традиционного нагревателя и исследуемого объекта, которое зависит от степени прижатия нагревателя к поверхности, от шероховатости поверхности и т.д., что также повышает достоверность определения искомых ТФС.

3 ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, РЕАЛИЗУЮЩИЕ РАЗРАБОТАННЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ МЕТОДЫ

При технической реализации методов контроля ТФС строительных материалов часто сталкиваются со сложностями, связанными с одновременным измерением параметров, контролем состояния измерительной системы, регистрацией полученных результатов и т.д. Применение ИИС при проведении экспериментов эффективно в следующих направлениях:

- снижение временных затрат на подготовку и проведение эксперимента вследствие ускорения сбора и обработки информации, оперативности управления режимами сбора данных;

- повышение достоверности и точности результатов эксперимента в результате использования сложных и эффективных алгоритмов обработки измерительных сигналов, увеличение разрядности при кодировании данных, увеличения объема используемых экспериментальных данных для усреднения результатов;

- применение автоматических систем позволяет выполнять поставленные задачи в тех условиях, в которых пребывание человека крайне нежелательно или невозможно;

- возможность полного контроля над управлением и гибкостью эксперимента;

- результаты эксперимента оперативно представляются оператору в удобной форме.

В данной главе рассмотрены особенности построения и функционирования ИИС, реализующих разработанные микроволновые методы неразрушающего контроля ТФС строительных материалов и изделий.

3.2 Информационно-измерительная система, реализующая микроволновый адаптивный метод НК ТФС композитных строительных материалов и

изделий

В состав ИИС, реализующей предложенный метод, входит рупорно-линзовая антенна, параметры которой позволяют получить максимально узкую диаграмму направленности, обеспечивающую линию теплового воздействия длиной 0,08.0,1 м, для исключения влияния концевых эффектов на контролируемое температурное поле, обусловленное ограниченностью длины линии теплового воздействия. Добиться этого можно расчетом необходимых параметров линзы и облучателя в виде рупора.

Если поместить в фокусе линзы источник сферической волны, то расходящийся пучок лучей при прохождении сквозь толщу линзы при правильном подборе формы ее профиля вследствие последовательных преломлений трансформируется в семейство параллельных лучей, образуя плоский фронт.

Фазовая скорость волны в линзе зависит от ее коэффициента преломления п. Если п > 1, то линза называется замедляющей (рисунок 3.1, а), если п < 1, то линза называется ускоряющей (рисунок 3.1, б). Замедляющие линзы выполняются из диэлектрика, а ускоряющие из параллельных металлических пластин. Существенным недостатком линз из металлических пластин по сравнению с диэлектрическими линзами являются ограниченность диапазона использования. Поэтому для реализации предложенного метода была выбрана замедляющая линза, а в качестве материала диэлектрика выбран фторопласт. Кроме того, преимуществами диэлектрических линз являются не критичность к поляризации поля (они фокусируют волну любой поляризации) и широкодиапазонность, обусловленная слабой зависимостью коэффициента преломления диэлектрика от частоты.

а б

Рисунок 3.1 - Линзовые антенны (а - замедляющая; б - ускоряющая)

Для расчета параметров диэлектрической линзы воспользуемся следующей методикой, описанной в [43].

В соответствии со справочными данными, касающимися геометрических и электрических параметров волноводов прямоугольного сечения, стандартизованных Международной Электротехнической Комиссией (МЭК), представленными в таблице 3.1 [44], выбран волновод типа МЭК-180.

Таблица 3.1 - Технические данные прямоугольных волноводов (стандарт,

принятый МЭК)

Обозначение типа волновода Диапазон частот для основного типа волн, ГГц Внутренние размеры, мм Толщина стенки 1, мм Средняя длина волны Хср, см

от до а Ь

МЭК-180 14,5 22,0 12,954 6,477 1,7 2,6

МЭК-220 17,6 26,7 10,668 4,318 1,4 2,1

МЭК-260 21,7 33,0 8,636 4,318 1,2 1,7

МЭК-320 26,4 40,0 7,112 3,556 0,9 1,4

МЭК-400 32,9 50,1 5,690 2,845 0,75 1,1

МЭК-500 39,2 59,6 4,775 2,388 0,6 0,96

МЭК-620 49,8 75,8 3,759 1,880 0,48 0,76

МЭК-740 60,5 91,9 3,099 1,549 0,4 0,6

МЭК-900 73,8 112 2,540 1,270 0,33 0,5

Геометрические размеры излучающего раскрыва линзы О» и Оф в главных плоскостях определяются соотношениями

; Дф=^-, (3.1),

2»р/2 2фр/2

где А* - коэффициент, учитывающий закон распределения амплитуды поля на излучающем раскрыве в соответствующей плоскости, выбирается в соответствии с данными, представленными в таблице 3.2 [45, 46].

Таблица 3.2 - Сводка функций излучения для прямоугольной апертуры

Вид аппроксимирующей функции, р - степень Уровень поля на краю раскрыва А Коэффициент А*

аппроксимирующей функции

0,1 50,5

0,8 52,0

Р = 1 0,6 0,4 54,0 57,5

0,2 62,0

0 68,5

0,1 50,5

0,8 52,5

Р = 2 0,6 0,4 56,0 60,5

0,2 67,5

0 83,0

Р = 3 0 95,0

р = 4 0 110,5

р = 0 (постоянный закон) 1,0 50,5

Коэффициент преломления п замедляющей диэлектрической линзы определяют в соответствии с соотношением

п = л/е = > 1, V ф

(3.2)

где е - относительная диэлектрическая проницаемость материала, из которого изготовлена замедляющая линза. Для фторопласта относительная

диэлектрическая проницаемость е = 2 Ф/м. Следовательно, коэффициент преломления п=1,4.

Фокусное расстояние / определяется по формуле

Р + Рф

2

п +1

п -1

(3.3)

Толщина ^ замедляющей линзы определяется по формуле

<■ - 1 +

г / \2 д!+рф

п + 1

Таким образом, необходимая для реализация микропроцессорной ИИС диэлектрическая линза имеет следующие параметры:

- геометрические размеры линзы: = 0,021 м; Оф = 0,812 м;

- фокусное расстояние: / = 0,98 м;

- толщина линзы: ^ = 0,168 м.

В качестве облучателя линзовой антенны выбран пирамидальный рупор (рисунок 3.2). Размеры раскрыва рупора ар и Ьр определяется по формулам

Л

2!р/2 - 780 • —; (3.7)

а ар

Л

2фр/2 - 560 • —. (3.8)

Ьр

Из выражений (3.7) и (3.8) находим, что размеры раскрыва рупора ар и Ьр равны соответственно 0,026 м и 0,73 м.

Рисунок 3.2 - Пирамидальный рупор с прямоугольным волноводом и встроенной

линзой

Длина рупора, в раскрыв которого помещается линза, задается примерно равной фокусному расстоянию линзы. Вершина рупора находится в фокусе линзы.

Для согласования поверхности линзы с облучателем и свободным пространством эффективным является поворот линзы на угол у', при котором отраженные волны фокусируются за пределами облучателя. Величина угла наклона линзы выбирается примерно равной половине полуширины диаграммы направленности 00 антенны «по нулям». С другой стороны, нельзя допускать смещения облучателя от фокуса на величину, большую максимального угла отклонения главного максимума диаграммы направленности линзовой антенны. Таким образом, угол наклона линзы у' выбирается в соответствии с выражением

1 , X + п

- е0 <у' <—--

2 2Я 2пЛ

(3.9)

где Я =

п -1 п +1

- коэффициент отражения на границе раздела диэлектрик-воздух.

Следовательно, для устранения отраженной волны угол поворота антенны у' выбирается в пределах 1.07.6.41°.

На рисунке 3.3 представлена схема информационно-измерительной системы, реализующей предложенный микроволновый адаптивный метод неразрушающего контроля ТФС строительных материалов и изделий. Работа микропроцессорной измерительной системы происходит следующим образом.

Над теплоизолированной от окружающей среды поверхностью исследуемого объекта помещают рупорно-линзовую антенну, фокусирующую СВЧ-излучение в линию заданных размеров. Регулирование частоты следования тепловых импульсов осуществляется компьютером, соединенным через порт ввода-вывода с блоком питания и генератором. Информация об изменении температуры на поверхности исследуемого объекта в точках, расположенных на заданном расстоянии от линии теплового воздействия, поступает в компьютер с измерительного зонда 2 и измерительного зонда 3 через коммутатор и порт ввода-вывода. В состав измерительных зондов входят термоприемник, усилитель и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). После ввода исходных данных Q, х1, х2, Тзад1, Тзад2 по команде компьютера на поверхность исследуемого объекта с подается одиночный импульс длительностью 0,1.0,2 с. Затем по информации, полученной от измерительных зондов 2 и 3, компьютер определяет интервалы времени релаксации Тимп1 и Тимп2. Далее воздействуют на исследуемый объект микроволновыми импульсами, увеличивая частоту их подачи по алгоритму, построенному в соответствии с законом (2.1)-(2.2), до тех пор, пока установившееся значение избыточной температуры в точке контроля х1 достигнет наперед заданного значения Тзад1. Далее увеличивают частоту следования импульсов по тому же алгоритму до момента времени, когда установившаяся контролируемая температура во второй точке контроля х2 достигнет наперед заданного значения Тзад2. Затем компьютер определяет частоты следования тепловых импульсов Гх1 и ¥х2 и, используя имеющуюся информацию, по алгоритму, построенному в соответствии с формулами (2.13)-(2.14) рассчитывает

искомые значения тепло- и температуропроводности исследуемых объектов и выводит их на монитор компьютера.

Рисунок 3.3 - Схема ИИС, реализующей микроволновый адаптивный метод неразрушающего контроля ТФС композитных строительных материалов и

изделий

На рисунке 3.4 представлена блок-схема, поясняющая работу ИИС, реализующей микроволновый адаптивный метод неразрушающего контроля ТФС строительных материалов и изделий.

Рисунок 3.4 - Блок-схема работы ИИС, реализующей микроволновый адаптивный метод НК ТФС композитных строительных материалов и изделий

На рисунке 3.5 представлена блок-схема функционирования ИИС, реализующей вариант микроволнового адаптивного метода неразрушающего контроля ТФС строительных материалов и изделий.

Подача одиночного импульса

Определение времени релаксации и минимальной

частоты следования импульсов -»

Увеличение частоты подачи импульсов

Нет у' — 7зад Да

Конроль температуры в точке хт

Определение частоты Р?.

Расчет а и к

Рисунок 3.5 - Блок-схема работы ИИС, реализующей вариант микроволнового адаптивного метода НК ТФС строительных материалов и изделий

На рисунке 3.6 представлена блок-схема функционирования ИИС, реализующей второй вариант микроволнового адаптивного метода неразрушающего контроля ТФС строительных материалов и изделий.

Рисунок 3.6 - Блок-схема работы ИИС, реализующей второй вариант микроволнового адаптивного метода НК ТФС строительных материалов и

изделий

3.3 Информационно-измерительная система, реализующая микроволновый

метод неразрушающего контроля ТФС трехслойных строительных

конструкций и изделий

Для создания ИИС, реализующей микроволновый метод неразрушающего контроля ТФС трехслойных строительных конструкций необходимо определить параметры рупорно-линзовой антенны, фокусирующей СВЧ-излучение в область в виде круга диаметром 0,1 м. Для создания рупорно-линзовой антенны выбран материал диэлектрика линзы фторопласт и облучатель в виде конического рупора. Конструкция антенны аналогична конструкции, представленной на рисунке 3.2, за исключением геометрии рупора. Для расчета их параметров воспользуемся методикой, описанной в [43].

Из таблицы 3.1 выбираем тип волновода МЭК-900.

Т.к. требуется сформировать осесимметричную диаграмму направленности, т.е. ширина диаграммы направленности в главных ортогональных плоскостях будет одинакова: 20р/2 = 2ф р/2. Соответственно, геометрические размеры излучающего раскрыва линзы Д и Дф в главных плоскостях, определяющиеся соотношениями (3.1), будут равны. Коэффициент А* выбирается из таблицы 3.3.

Таблица 3.3 - Сводка функций излучения для круглой апертуры

Вид аппроксимирующей функции, р - степень аппроксимирующей функции

Уровень поля на краю раскрыва А

Коэффициент

А*

Р = 1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

72,763 69,633 67,274 65,434 63,959 62,761 61,744 60,891 60,159 59,524

Окончание таблицы 3.3

Вид аппроксимирующей функции, р - степень аппроксимирующей функции

Уровень поля на краю раскрыва А

Коэффициент

А*

Р = 2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

84,397 75,565 70,516 67,267 65,003 63,335 62,056 61,043 60,221 59,541

Фокусное расстояние для замедляющей диэлектрической линзы выбираем в соответствии с формулой

Г - ЯдР!, (3.10)

V п -1

где Я - радиус линзы.

Толщина замедляющей линзы определяется по формуле

/ - / +

10 ---7 + л

п +1 \

' / ^ -2

п + 1

+ . (3.11)

п2 1

Таким образом, необходимая диэлектрическая линза имеет следующие параметры:

- геометрические размеры линзы: =Аф = 0,022 м;

- фокусное расстояние: /= 0,027 м;

- толщина линзы: ^ = 4,591 10-3 м.

В качестве облучателя выбран конический рупор, размеры раскрыва которого находится из формулы

29,/2 -. (З.12)

Таким образом, размер раскрыва рупора составляет 0,039 м. Длина рупора берется примерно равной фокусному расстоянию линзы. Линза устанавливается в раскрыв рупора. Расстояние между поверхностью исследуемого объекта и раскрывом линзы составляет 0,5 м.

Информационно-измерительная система, реализующая микроволновый метод НК ТФС трехслойных строительных конструкций, представлена на рисунке 3.7. После ввода исходных данных Q, х1, х2, т*, Я1, Я2, Я3, ц0, ц, у компьютер рассчитывает необходимую для прогрева 2/3 толщины исследуемого наружного слоя частоту СВЧ-излучения и угол наклона 0' рупорно-линзовой антенны к поверхности исследуемого объекта. Команда об изменении угла наклона от компьютера через порт ввода-вывода поступает на блок управления приводом, выход которого подключен к реверсивному двигателю, вал которого кинематически соединен с механизмом изменения угла наклона антенны относительно исследуемого объекта. По команде компьютера через генератор осуществляет тепловое воздействие под углом 0' с найденной частотой СВЧ-излучения. В заданный момент времени т* по команде компьютера бесконтактные измерительные зонды 1 и 2 осуществляют контроль значений избыточных температур в двух точках, расположенных на заданных расстояниях х1 и х2 от линии теплового воздействия. Информация о полученных значениях температуры поступает в компьютер, где происходит расчет искомых ТФС наружного слоя. Аналогичным образом осуществляется определение ТФС второго наружного слоя исследуемой конструкции.

После определения ТФС двух наружных слоев исследуемой конструкции определяют ТФС внутреннего слоя. Для этого тепловое воздействие осуществляют через круговую область. Компьютер рассчитывает необходимую частоту микроволнового воздействия, при которой глубина проникновения электромагнитной волны составляет 2-3 мм. Затем информация о найденной частоте подается на генератор СВЧ-излучения. После начала теплового воздействия при передаче на компьютер информации о величине теплового потока измерительного зонда 3, в состав которого входят ПИП теплового потока,

усилитель и АЦП, и температурах на обеих наружных поверхностях в зоне теплового воздействия с измерительных зондов 4 и 5, величине температуры окружающей среды с цифрового термометра, по известным соотношениям определяют искомые ТФС внутреннего слоя, информация о которых выводится на

монитор компьютера.

Рисунок 3.7 - Схема ИИС, реализующей микроволновый метод неразрушающего контроля ТФС трехслойных строительных конструкций

Преимуществом заявленной системы является нагрев электромагнитной энергией СВЧ-диапазона, исключающий влияние собственной теплоемкости нагревателя, контактное термосопротивление между нагревателем и исследуемым объектом, степень прижатия нагревателя к объекту и шероховатость поверхности, что повышает ее точность. Кроме того, исключена возможность прогрева наружного слоя насквозь за счет прогрева исследуемого слоя на необходимую заранее рассчитанную глубину, таким образом в нахождении ТФС наружных слоев

не будут принимать участия ТФС внутреннего слоя, что также повышает точность предложенного метода. На рисунке 3.8 представлена блок-схема, поясняющая работу ИИС, реализующей микроволновый метод неразрушающего контроля ТФС трехслойных строительных конструкций.

а)

б)

Рисунок 3.8 - Блок-схема работы ИИС, реализующей микроволновый метод неразрушающего контроля ТФС трехслойных строительных конструкций (а - определение ТФС наружных слоев; б - определение ТФС внутреннего слоя)

3.4 Выводы

1. Разработана информационно-измерительная система, реализующая три варианта микроволнового адаптивного метода неразрушающего контроля ТФС строительных материалов и изделий, которая позволяет осуществлять адаптивный поиск частоты следования тепловых импульсов по заданному алгоритму и имеет автоматизированное управление всеми операциями во время проведения теплофизического эксперимента. Кроме того, система позволяет реализовать два варианта разработанного микроволнового метода неразрушающего контроля ТФС строительных материалов и изделий, что позволяет повысить оперативность проведения измерений и повысить точность определения искомых ТФС.

2. Разработана информационно-измерительная система, реализующая микроволновый метод неразрушающего контроля ТФС трехслойных строительных конструкций, которая автоматически рассчитывает частоту СВЧ-излучения для прогрева исследуемого материала на заданную глубину. Кроме того, система автоматически рассчитывает и устанавливает угол наклона антенны 0' к поверхности исследуемого объекта, осуществляет алгоритмическую коррекцию результатов измерений с учетом тепловых потерь в окружающую среду, возникающих за счет отражения части микроволнового излучения с поверхности исследуемого объекта, определяя угол Брюстера, что повышает точность конечных результатов измерений.

3. При разработке ИИС, реализующих предложенные методы, были произведены расчеты основных параметров рупорно-линзовых антенн, позволяющих создать требуемый для разработанных методов вид теплового микроволнового воздействия за счет формирования соответствующих диаграмм направленности. Сконструированные на основе проведенного расчета рупорно-линзовые антенны являются основными и наиболее важными блоками в разработанных ИИС.

4 МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И РЕАЛИЗУЮЩИХ ИХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

4.1 Анализ погрешности микроволнового адаптивного метода неразрушающего контроля ТФС композитных строительных материалов и

изделий

Анализ погрешностей и их характеристик прямых и косвенных измерений заключается в разложении полной погрешности на компоненты и выявлении доминирующих компонент полной погрешности на аналитической основе [47-51].

В соответствии с выражением (2.13), полная погрешность определения теплопроводности Да* зависит от точности установления х1, х2, Fx1, ¥х2. Следовательно, полная погрешность определения теплопроводности

Да = Дх\а +Д+Дрх\а +Дрх2а ,

(4.1)

где погрешность, обусловленная отличием х1 от истинного значения х1ист равна

г

Д х\а

2хгист -Дх1 -Дх2 X -

2

1

V

Л=1

2

4

п2 1 П11

Рх2 Ет- Рх1 Ет г=11 г =11

(4.2)

погрешность, обусловленная отличием х2 от истинного значения х2ист равна

Рх2 (2 хист -Дх2 +Дх2

I=11'

Д х2 а =

п21 П11

Рх2 Ет- Рх1 Ет

г=1г ¡=1г

(4.3)

2

А Рх1а =

? ? П2 1 г=11

:2

х1

^ист + АР

х1

х1

п1 1 ::1

г=и

,2

4

п2 1 ( рх 2 х1 -у 1=11

Р ист + АР

\пЧ

/2:7

х1

х1

г = 1

п2 1 2 п1 1 Х22 • РХ2 ^-х? • рх;ст

г=и г=и

4

п21 п1 1 р 2 х1 - РТ х1

г=1г

г=1г

(4.4)

погрешность, обусловленная отличием Рх2 от истинного значения Рх2ист равна

9 / \п2 1 9 9п1 1 х22 • (Рх1?т+АРх 2 - х2 • рх1хJ г=1 г=1'

п1 1

А Рх 2 а

4

1

Р™ + Арх 2

2 п2 1 ист2 ^ 1

2

х2 • х2 : .2 г=1г2

п2 1 п1 1 /х1 - Рх1 х1

г=1г г=1г

2 2 п1 1 х12 • Рх2 2:4

г=И

4

ист х2

п2 1

п1 1

Хт- Рх1 Хт

г=1г

г=1г

(4.5)