Методы и аппаратура для измерения тепловых полей на основе изооптического термопреобразования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.04, кандидат технических наук Войцехов, Юрий Романович

• Войцехов, Юрий Романович
• кандидат технических наук
• 1983

Оглавление диссертации кандидат технических наук Войцехов, Юрий Романович

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СИМВОЛОВ

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ. МЕТОД И300ПТИЧЕСК0Г0 ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАНИЯ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ методов визуализации температурных полей

1.2. Визуализация температурного поля методом изоопти-ческого термопреобразования

1.3. Постановка задачи исследования.

Выводы.

2. ТЕРМООПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И300ПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ.

2.1. Выбор полимера как термочувствительного компонента преобразователя

2.2. Расчет основных термооптических параметров преобразователя типа ИПС.

2.3. Исследование влияния температурного градиента по толщине изооптического преобразователя на его термооптические параметры.

Выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМООПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ТИПА ИПС. РАЗРАБОТКА РЯДА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ДИАПАЗОНА ОТ МИНУС 20 ДО

ПЛЮС 150 °С.

3.1. Результаты разработки изооптических систем на основе полимерных материалов

3.2. Измерительная аппаратура и методика экспериментального исследования

3.3. Экспериментальное исследование температурно-спектральной характеристики и термооптических параметров преобразователей типа ИКС.

3.4. Экспериментальное исследование спектральной избирательности преобразователей типа ИКС.

3.5. Экспериментальное исследование термооптических параметров в зависимости от температурного градиента по толщине изооптического преобразователя

3.6. Методика выбора компонентов, обеспечивающих преобразователю заданные характеристики

3.7. Разработка ряда преобразователей типа ИКС для исследования температурных полей

Выводы.

4. РАЗРАБОТКА АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ

ПОЛЕЙ МЕТОДОМ ИЗООПТИЧЕСКОГО ТЕРМ0ПРЕ0ЕРА30ВАНИЯ

4.1. Анализ пространственно-спектральной структуры оптического сигнала изооптического термопреобразователя

4.2. Разработка принципов визуализации и регистрации температурных полей методом изооптического термопреобразования

4.3. Аппаратура для визуализации и исследования температурных полей.

Выводы.

5. РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОШОСТЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ

ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ.

5.1. Основные параметры, характеризующие разрешающую способность измерительного комплекса

5.2. Исследование пороговой температурной разрешающей способности.

5.3. Исследование геометрической разрешающей способности

5.4. Исследование разрешающей способности изооптичес-кого комплекса при измерении локальных температур

5.5. Исследование методов повышения разрешающей способности изооптических преобразователей . 192 Выводы.

6. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ МЕТОДОМ И300ПТИЧЕСК0Г0 ТЕРМОПРЕ

0ЕРА30ВАНИЯ.

6.1. Инструментальная погрешность изооптических преобразователей для исследования температурного поля.

6.2. Инструментальная погрешность аппаратуры для исследования температурных полей

6.3. Инструментальная погрешность измерительного комплекса для определения поверхностного распределения плотности тепловых потоков

6.4. Определение температурного поля объекта по результатам его экспериментального исследования

6.5. Перспективы развития и область применения метода

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и аппаратура для измерения тепловых полей на основе изооптического термопреобразования»

Решение актуальных проблем 80-х годов и одиннадцатой пятилетки предусматривает все большее внедрение радиоэлектроники во все отрасли народного хозяйства.

Современные радиоэлектронные системы представляют собой сложные комплексы, состоящие из огромного числа различных элементов, таких, как полупроводниковые приборы, интегральные схемы и т.д. Работоспособность таких систем зависит от внутренних физических процессов в отдельных радиокомпонентах, большое влияние на которые оказывает температура. От 10 до 50% случаев выхода из строя радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) связаны с нарушением ее теплового режима либо с работой в предельно допустимых температурных условиях /1-4/. В связи с этим постоянно возрастает роль тепловых измерений в РЭА. По данным /5/, 90-95% всех форм энергии в РЭА превращается в тепловую, и тепловое поле в аппаратуре является эффективным показателем ее качества и надежности.

Вместе с тем, анализ методов теплового контроля РЭА показывает, что при многообразии способов и средств локального измерения температуры наблюдается значительное отставание в разработке методов непрерывного исследования тепловых полей. Методы инфракрасной (ИК) термометрии, получившие относительное распространение во многих отраслях техники, не находят практического применения в РЭА ввиду широкой номенклатуры радиокомпонентов и отсутствия достоверных данных о их коэффициенте черноты. Другие известные методы исследования температурных полей алпаратурно сложны и специфичны, что ограничивает их использование в РЭА. В то же время методы исследования тепловых полей (поверхностного распределения температуры и тепловых потоков) отличаются значительно большей информативной способностью по сравнению с контролем параметров в отдельных точках объекта, применение их исключает ошибки при выявлении областей локального перегрева, при оценке топологии радиоэлектронных плат с точки зрения теплового режима работы РЭА, обеспечивает полный объем данных для прогнозирования надежности аппаратуры. В связи с этим разработка новых эффективных методов исследования тепловых полей с учетом специфики температурного контроля РЭА является актуальной проблемой.

Ц е ль ю диссертации является разработка методов исследования тепловых полей на основе изооптического термопреобразования и соответствующего измерительного комплекса, отвечающего требованиям температурного контроля РЭА по точности, безопасности измеренийи разрешающей способности. , .

Целесообразность разработки изооптического метода обоснована результатами анализа известных методов исследования тепловых полей, проблем в области температурного контроля РЭА и физических основ изооптического термопреобразования.

Разработка метода проводится по приказу Министра № 34 от 25.01.80 г.

В настоящей диссертационной работе показано, что наиболее перспективными для решения поставленной задачи являются изоопти-ческие композиции на основе полимерных материалов, оптимальными из которых признаны кремнийорганические каучуки марки СКТФВ. Это обусловлено технологичностью каучуков, уникальными изоляционными и диэлектрическими свойствами (что существенно с учетом условий работы РЭА), химической стойкостью к воздействию солнечного света и повышенной влажности, высокими температурно-спектральной чувствительностью и спектральной избирательностью изооптических композиций на основе каучуков, возможностью изготовления преобразователей в виде эластичных пленок, гибких пластин, замазки и лака.

В результате исследования термооптических параметров композиций на основе каучуков, наполненных порошком оптических стекол (ИКС), разработана методика выбора компонентов, обеспечивающих преобразователю заданные характеристики. По этой методике разработан ряд преобразователей для измерений в области от минус 20 до плюс 150 °С, соответствующей температурному диапазону работы РЭА.

Разработка научных принципов построения приборов для визуализации температурного поля позволила создать ряд установок и специализированных приставок, обеспечивающих высокий цветовой контраст, приемлемую точность и разрешающую способность при исследовании тепловых полей в РЭА. Определена область целесообразного применения метода исследования тепловых полей на основе изооптического термопреобразования.

В диссертационной работе обоснованы следующие научные положения:

I. Температурная зависимость рефракционных параметров крем-нийорганических каучуков в области температур от минус 20 до плюс 150 °С близка к линейной, а их дисперсионная зависимость описывается двучленной формулой Коши с точностью, достаточной для расчета термооптических параметров преобразователей типа ИКС с относительной погрешностью, не превышающей 2,3$ при доверительной вероятности 0,99.

2.Температурный градиент по толщине преобразователя искажает его температурно-спектральную характеристику и уменьшает свето-пропускание пропорционально величине градиента, толщине преобразователя, кратности проховдения сквозь него светового потока и смещению контура пропускания преобразователя в коротковолновую область спектра.

3. Пространственно-спектральная структура выходного сигнала преобразователя такова, что его рабочий сигнал (максимум нулевого порядка) окружен симметричной системой дифракционных колец гало (рассеянной составляющей). Угловое отклонение колец гало от рабочего сигнала растет с уменьшением размера оптических не-однородностей изооптического слоя.

Научную новизну работы составляют следующие результаты: разработаны теоретические основы и реализован новый метод исследования температурных полей на основе изооптического термопреобразования; предложен и теоретически обоснован новый метод измерения поверхностного распределения плотности теплового потока, основанный на зависимости Светопропускания от температурного перепада по толщине изооптического преобразователя; определены температурная чувствительность, геометрическая разрешающая способность и метрологические характеристики метода.

На защиту выносятся: метод исследования температурных полей на основе изооптического термопреобразования; метод измерения поверхностного распределения плотности теплового потока; расчетная методика выбора компонентов, обеспечивающих преобразователю заданные характеристики; научные принципы построения приборов для визуализации и исследования температурных полей методом изооптического термопреобразования; результаты исследования температурной чувствительности и геометрической разрешающей способности метода; методика определения действительных температурных полей объектов по результатам измерений.

Практическая ценность полученных результатов состоит в том, что на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан ряд преобразователей оригинальной конструкции, обеспечивающих высокую геометрическую разрешающую способность (до 2 штрихов на I мм) и точность исследования температурного поля (инструментальная погрешность не более 0,7 К). Разработана технология их изготовления.

Создан ряд приборов и специализированных приставок, обеспечивающих высокий цветовой контраст визуализованной картины поля, регистрацию изотерм и высокую точность измерений (инструментальная погрешность не более 0,9 К). Их новизна защищена 18 авторскими свидетельствами и 2 положительными решениями ВНИИГПЭ о выдаче авторского свидетельства.

Разработанный измерительный комплекс удовлетворяет требованиям температурного контроля РЭА по точности и геометрической разрешающей способности, обеспечивает безопасность и оперативность измерений.

Измерительный комплекс эргономичен, отличается аппаратурной простотой и низкой стоимостью, удобен в эксплуатации.

Разработанный комплекс может быть успешно использован также в электронной, авиационной и других отраслях народного хозяйства.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и одиннадцати приложений. По объему диссертация содержит 144 страницы машинописного текста, 13 таблиц и 95 рисунков. Приложения составляют 60 страниц.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения тепловых величин», Войцехов, Юрий Романович

Результаты исследования зависимости светопропускания от температурного градиента по толщине изооптического преобрааователя (каучук СКТФВ70 - стекло КЗ, <&а = 2 мм), работающего в режиме отражения л о , мкм !

-2 мкм ! т

- 0,28 ! - 0,35 !

-1-Г

-0,59 j -0,67 I

-0,74 I -0,80

0,461

ЪГЛо*) J УгГЛоУ Хр Р

0,93 0,89 0,83 0,77 0,71 0,66 0,97 0,96 0,88 0,85 0,83 0,80 -0,043 -0,076 -0,060 -0,107 -0,172 -0,220

0,547

Г ЫА, 1

UV\

Jotfo*) %ГЛ9*) мкм

-2 Р

-0,22 0,88 0,98 -0,109

-0,28 0,87 0,96 -0,102

-0.47 0,78 0,90 -0,150

-0,54 0,73 0,87 -0,187

-0,59 0,70 0,84 -0,196

-0,63 0,65 0,82 -0,266 Ъ

0 Го 1

0,602

Г с >

УоСЛо* Jn ге* мкм

-2

-0,19 0,95 0,98 -0,032

-0,23 0,92 0,98 -0,060

-0,39 0,87 0,94 -0,035

-0,45 0,84 0,92 -0,093

-0,49 0,87 0,91 -0,051

-0,53 0,71 0,89 -0,252

Параметр afj, = Е za?v

2.36) при /т? = 2. О

7гГЛо+)Л расчет у /J*A произведен по формуле

Я/ЛеУ Л р

S ! ло ,мкм ! г, мкм"2 ! j -0,28 ! "1 1 -0,35 i ! - 0,59 j \ -0,67 ! .Г -0,74 ! -0,80

0,77 0,92 0,74 0,87 0,62 0,69 0,51 0,62 0,43 0,56 0,38 0,51

0,461 э Р

Э?д -0,195 -0,176 -0,113 -0,216 -0,302 -0,342

Г, мкм -0,22 -0,28 -0,47 -0,54 -0,59 -0,63

0,86 0,96 0,83 0,94 0,78 0,85 0,66 0,81 0,59 0,77 0,55 0,75

0,547 9 l&MeV. Р

-0,116 -0,133 -0,090 -0,227 -0,305 -0,364

-2 мкм -0,19 -0,23 -0,39 -0,45 -0,49 -0,53

0,602 УоГЛ0*)\ Г Зо[Ло*)\ э fi 0,89 0,98 -0,101 0,87 0,97 -0,115 0,75 0,91 -0,213 0,74 0,88 -0,189 0,73 0,86 -0,178 0,69 0,84 -0,217 Ъ

0 со 1 d \ о 1 ' V V Т Г Ло » мкм I ^ мкм 1 -0.47 1 -0.52 ! -0.62 i -0.75 1 -0.86 i -0.94

0.463 Г 7*ГЛ0*) * L JofAoV -Г ЯгАо*;' L JofJoV. Звд 9 0,83 0,84 0,74 0,68 0,56 0,44 0,88 0,86 0,81 0,74 0,67 0,62 -0,060 -0,024 -0,095 -0,088 -0,196 -0,409

0,536 1 li 1 Я i о i мкм"2 -0,44 -0,49 -0,58 -0,70 -0,80 -0,88 э 0,92 0,91 0,94 0,98 0,86 0,94 0,92 0,91 0,87 0,89 0,78 0,74 Р 0 0 +0,074 +0,092 +0,093 +0,213

0,611 £ [ЪГЛеУЛ мкм"2 -0,40 -0,45 -0,53 -0,65 -0,74 -0,81 0,91 0,90 0,91 0,87 0,71 0,70 э 0,95 0,93 0,92 0,88 0,85 0,83 Р -0,044 -0,033 -0,011 -Ф,0П -0,197 -0,186 Ъ 0 1

1Уо ГЛо*)±э р

LУсГЛоУл э

Параметр э?9= при т = 4. расчет

Г7+агЛ

1УоГЛоУ\р произведен по формуле (2.36)

РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОЙ ПРОДОЛЬНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ИЗООПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Расчет эффективной теплопроводности производится методом обобщенной тепловой проводимости с использованием физической модели преобразователя, показанной на рис.5.9.

Продольная теплопроводность преобразователя в режиме отражения рассчитывается по формуле . гА'х, +А%*А% . --% ~ (1) где <£2f - толщина подложек преобразователя, зеркально отражающего покрытия и изооптического слоя соответственно; А', А'/А'" - теплопроводность указанных элементов. Расчет Аш производится по формуле Горринга и Черчилля /83/, соответствующей гетерогенной системе с каркасом, образован ным относительно плотной кладкой контактирующих между собой частиц твердого компонента (стекло), промежутки между которыми заполнены непрерывной фазой (полимером), г. л: «, .

У" / JW\ г*, л* +т //- Аг. j лг ( А:1) //// где Aj, Л2 - теплопроводность полимера и стекла соответственно.

При А"' = 0,17 Вт м7* (кремнийорганический каучук), А£' - 1,0 Вт и /7? = 0,45, что соответствует объемному соотношению компонентов в системе типа ИКС, теплопроводность

4W Т Т изооптической системы составляет Л =0,37 Вт м .К . При 0,5 мм; 0?/= 0,05 мм; £s = 0,01 мм; £3 = 0,39 мм;

Л' » 0,3 Вт м'1.(полимерная пленка типа ПЭТФ), и тт

Л = 100 Вт м .К в результате расчета по формуле (I) получаем, что продольная теплопроводность преобразователя с зеркально отражающим алюминиевым покрытием составляет

Лпр - 2,35 Вт В отсутствии зеркального покрытия х 0) - Афт 0,35 Вт м-1.К""1. В результате,ГРС и РСЛТ преобразователя, предназначенного для работы в режиме отражения, примерно в 2,5 раза ниже, чем у работающего "на просвет".

Эффективная теплопроводность преобразователя, отражающее покрытие которого выполнено в виде зеркальной мозаики,может быть рассчитана по формуле (I) при замене ./"эффективной теплопроводностью Аф7 зеркального покрытия, рассчитанной по формуле у// 1/н j't Л •Л

ЛэеР "2аЛ"'+П-2а)Л" ' (3) при cl = 0,45 и указанных значениях параметров

3,58 Вт вГ^ЛГ1.

В результате, при подстановке полученного значения ЛЭ(р в формулу (I) вместо А" получаем - Ап/0 ■ 0,42 Вт м~*.К~*,т.е. практически не отличается от теплопроводности преобразователя в отсутствии зеркального покрытия.

Для уменьшения контактного термического сопротивления между преобразователем и исследуемым объектом преобразователь прижимается к объекту через тонкий слой вязкой жидкости с низкой теплопроводностью (например, глицерина).

Введение подслоя изменяет эффективную толщину преобразователя и его эффективную теплопроводность.

Эффективная продольная теплопроводность преобразователя с учетом контактного подслоя может быть рассчитана по формуле

4 2А Я, + А\ + А% ш

Ш/ где Л - теплопроводность контактного подслоя;

- толщина контактного подслоя, усредненная по поверхности преобразователя.