Метод и реализующее его устройство бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и готовых изделий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Чернышов, Александр Витальевич

• Чернышов, Александр Витальевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чернышов, Александр Витальевич

ВВЕДЕНИЕ.

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

1.1 Общая характеристика проблемы измерения теплофизических свойств твердых материалов.

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

1.3 Постановка задачи исследования.

1.4 Выводы.

2 МЕТОД БЕСКОНТАКТНОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ.

3 МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА БЕСКОНТАКТНОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТФС МАТЕРИАЛОВ.

3.1 Микропроцессорное устройство бесконтактного оперативного НК ТФС твердых материалов и алгоритм его работы.

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

3.3 Выводы.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДА БЕСКОНТАКТНОГО ОПЕРАТИВНОГО НК ТФС ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ.

4.1 Анализ погрешностей разработанного метода.

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

4.3 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод и реализующее его устройство бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и готовых изделий»

Актуальность работы. Современный уровень развития многих отраслей промышленности требует применения не только уже известных материалов с заданными физико-химическими свойствами, но и создания и применения большого количества новых конструкционных, 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 и долговечности синтезированных материалов,, а также готовых изделий, требуют как совершенствования традиционных, так и создания новых, более эффективных методов и средств контроля.

Особое место среди них занимают неразрушающие тепловые методы контроля и технической диагностики, характеризующиеся сложностью физического эксперимента, требованием детального математического описания физических процессов в контролируемых объектах измерения.

При протекании тепловых процессов в исследуемых готовых изделиях необходимо иметь информацию об их теплофизических свойствах (ТФС), т.к. эти параметры для многих изделий являются определяющими их качество и эксплуатационные характеристики. В практике определения ТФС материалов наибольшее развитие и распространение получили бесконтактные тепловые методы неразрушающего контроля (НК), которые отличаются высокой оперативностью и производительностью измерений, возможностью широкого применения в микропроцессорных системах управления технологическими процессами. Достоверность и точность результатов измерения с помощью этих методов и средств зависят от многих 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, влияния на результаты промежуточной среды между источником тепла, термоприемником и исследуемым изделием. Поэтому актуальной задачей является создание методов и средств бесконтактного неразрушающего контроля и технической диагностики, позволяющих учесть влияние данных факторов с целью повысить точность контроля искомых ТФС.

Известно, что теплофизические измерения отличаются сложностью и трудоемкостью проведения измерительного эксперимента. Поэтому наиболее целесообразно для реализации новых бесконтактных методов НК ТФС материалов и готовых изделий использовать микропроцессорную технику, так как созданные на ее базе информационно-измерительные системы (ИИС) позволяют автоматизировать процесс контроля, повысить точность и оперативность, с гарантией сохранения целостности исследуемых объектов.

Поэтому разработка микропроцессорной ИИС, реализующей метод НК ТФС материалов и готовых изделий с соответствующим алгоритмическим и программным обеспечением так же является актуальной задачей.

Цель работы - разработка и передача промышленное использование нового бесконтактного метода и реализующей его микропроцессорной измерительной системы, позволяющих осуществлять бесконтактный НК ТФС твердых материалов и готовых изделий как при их производстве, так и эксплуатации с необходимой для теплофизических измерений точностью.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести информационный обзор существующих методов и средств бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и готовых изделий;

- на основе математических моделей, описывающих квазистационарные тепловые процессы в исследуемых материалах при тепловом воздействии на них от подвижного точечного источника тепла, разработать и исследовать новый бесконтактный метод НК ТФС материалов и готовых изделий, обладающего высокой точностью результатов контроля и диагностики;

- разработать микропроцессорную информационно-измерительную систему, реализующую созданный бесконтактный метод НК ТФС твердых материалов и готовых изделий;

- провести метрологический анализ разработанного метода и системы НК ТФС материалов с рекомендациями повышения их метрологического уровня, а так лее с обоснованием выбора типов бесконтактных источника тепла и термоприемников для разработанной ИИС;

- провести экспериментальную проверку работоспособности созданных метода и ИИС НК ТФС материалов и готовых изделий и передать их в промышленное использование.

Методы и методики исследования базируются на аналитической теории теплопроводности, математической физике, математическом моделировании, метрологии и метрологическом эксперименте с использованием эталонных образцов материалов, а также на результатах выполнения научно-исследовательских работ на базе Тамбовского областного отделения "Российское общество по неразрушающему контролю1 и технической диагностике" (РОНКТД).

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основе физико-математической модели тепловых процессов в исследуемом объекте при бесконтактном тепловом воздействии на него от подвижного точечного источника тепла, разработан новый бесконтактный метод контроля ТФС, имеющий необходимую для технологического контроля точность, полную гарантию сохранения целостности объекта исследования. Высокая точность в разработанном методе достигается за счет определения геометрических параметров и площади пятна нагрева поверхности контролируемого изделия, что позволяет более точно учитывать потери тепла, вызванные конвективным и лучистым теплообменом с поверхности исследуемых объектов, а также более точного, по сравнению с другими методами, определения поправочного коэффициента, учитывающего влияние степени черноты исследуемого образца и прозрачности окружающей среды на результаты эксперимента.

Микропроцессорная ИИС, созданная на основе разработанного метода, существенно упрощает процесс измерений, реализует алгоритмические методы повышения точности на основе коррекции результатов измерения.

Проведен метрологический анализ разработанного метода и реализующей его системы на аналитической основе и даны рекомендации по повышению их метрологического уровня.

Практическая ценность работы заключается в том, что для реализации в лабораторных и производственных условиях разработанного метода бесконтактного оперативного НК ТФС твердых материалов, защищенного патентом РФ на изобретение, создана и передана в промышленное использование микропроцессорная ИИС с соответствующим алгоритмическим и программным обеспечением, позволяющая контролировать ТФС широкого класса твердых материалов и готовых изделий с необходимой для теплофизических экспериментов точностью.

Апробация работы

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на шестой международной теплофизической школе "Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством" (Тамбов, 2007), ХП-ХШ научных конференциях ТГТУ (Тамбов, 2006-2008).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 6-ти печатных работах, 2-х статьях в центральных научных журналах, 3-х публикациях в региональных изданиях, 1-ом патенте на изобретение.

Структура работы

Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение и приложения, изложенные на 116 страницах машинописного текста, 17 рисунок, 11 таблиц, список литературы включает 81 наименование.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Чернышов, Александр Витальевич

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. На основе моделей, описывающих тепловые процессы в исследуемых объектах при бесконтактном тепловом воздействии от подвижного точечного источника тепла, разработан новый бесконтактный метод НЕС ТФС твердых материалов и готовых изделий, обладающий высокой точностью за счет учета тепловых потерь, происходящих с поверхности исследуемого образца в окружающую среду, а также более точного определения поправочного коэффициента, учитывающего значения степени черноты исследуемого образца и степени прозрачности окружающей среды. Высокая точность разработанного метода достигается путем определения геометрических параметров и области нагрева поверхности исследуемых изделий, что позволяет более достоверно, чем по сравнению с другими методами, определить на сколько увеличилось количество тепловых потерь в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена при повышении мощности теплового воздействия на исследуемы образец и внести соответствующие поправки в результаты измерений. Использование имитатора АЧТ также позволяет повысить эффективность и точность определения ТФС материалов и готовых изделий.

2. Разработана микропроцессорная ИИС, реализующая созданный метод НК ТФС, позволяющая определять комплекс ТФС твердых материалов и готовых изделий с погрешностью, не превышающей 6-8% и позволяющей представить результаты в наиболее удобной форме.

3. Проведен анализ погрешностей результатов измерений для разработанного метода и ИИС на базе аналитических соотношений, полученных с использованием математических моделей измерительных процедур, объектов и условий измерений. Получены структуры полной погрешности измерений ТФС, 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 погрешностей.

4. Проведены экспериментальные исследования разработанного метода и ИИС бесконтактного НК ТФС материалов и готовых изделий, показавшие корректность основных теоретических выводов, положенных в основу разработанного метода и системы. Микропроцессорная ИИС, реализующая предложенный бесконтактный метод НК ТФС материалов и готовых изделий внедрена в промышленное использование.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чернышов, Александр Витальевич, 2008 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

11. 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. JL: Машиностроение, 1974. - 222 с.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

30. A.c. №1122955 СССР, МКИ G01N 25/18. Способ определения теп-лофизических 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., Талонов С.С., Туринов В.И. Заявл. 27.11.92; Опубл. 27.04.96 г.

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

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

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

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

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

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

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

40. Патент РФ №2073851. Устройство для бесконтактного неразру-шающего 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 неразру-шающего 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 A.B. -Заявл. 12.01.2001; Опубл. 20.07.2003.

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

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

48. Чернышов В. Н., Сысоев Э. В., Чернышов А. В. Бесконтактный метод неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов// Контроль. Диагностика. 2008. № 9(108). С. 50-54.

49. Чернышов В. Н., Сысоев Э. В., Чернышов А. В. Метод бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов и изделий из них // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2008. Т. 14. №2. С. 252 259

50. Киселев А.П. Геометрия. -М: Физматлит, 1996. 312с.

51. 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.

52. 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.

53. Патент РФ № 2251098. Способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов / Попов Р. В., Чернышов В. Н., Сысоев Э. В. 3аявл.17.11.2003; Опубл. 27.04.2005.

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

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

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

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

58. 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.

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

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

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

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

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

64. 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.

65. Цветков Э.И. Алгоритмические основы измерений. Спб.: Энергоатомиздат, 1992. - 254 с.

66. 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.

67. Методика поверки рабочих средств измерения теплопроводности, удельной теплоемкости и температуропроводности твердых тел. МИ-115-77 / Сост. Ю.А. Чистякова, Л.П. Левина. М.: Издательство стандартов, 1978.11 с.

68. А. с. №2184952 ООШ25/18 Способ неразрушающего контроля теп-лофизических характеристик материалов / Ищук И.Н и др. №2000118987/28; заявл. 2000.07.17; опубл. 2002.07.10

69. А. с. №2005140528 С0Ш25/00 Способ измерения теплофизических характеристик и устройство его осуществления / Абрамова Е. В. и др. № 2005140528/28; заявл. 2005.12.19; опубл. 2007.06.27