Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов

 

Изобретение относится к области технической физики, в частности к теплофизическим измерениям. Сущность: в способе неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов в плоскости контакта исследуемого полуограниченного тела и теплоизолятора воздействуют линейным источником тепла, измеряют избыточную температуру в точке плоскости контакта исследуемого тела и теплоизолятора, расположенной на заданном расстоянии и от линии действия источника. Воздействие на исследуемый объект осуществляют такой минимальной мощностью, при которой в контролируемой точке появится избыточная температура, определяют момент наступления постоянства относительной скорости изменения избыточной температуры в точке контроля в заранее заданные два момента времени, избыточную температуру и скорость ее изменения в точке контроля и определяют приближенные значения искомых теплофизических характеристик, воздействуют на исследуемое тело мощностью, величина которой превышает первоначальное значение мощности на заранее заданную величину, фиксируют в последующие заданные два момента времени избыточную температуру и скорость ее изменения в точке контроля и определяют искомые теплофизические характеристики во втором приближении, затем определяют оптимальную мощность теплового воздействия, после чего окончательно определяют искомые характеристики. 1 табл., 1 ил.

Предполагаемое изобретение относится к области технической физики, в частности к теплофизическим измерениям, и может найти широкое применение в системах неразрушающего контроля качества материалов и готовых изделий из них, используемых в машиностроительной, авиационной, радиотехнической, строительной и других отраслях промышленности.

Известен способ определения теплофизических характеристик материалов без нарушения их целостности [1] основанный на измерении интенсивности теплового потока к поверхности исследуемого материала, ограниченной окружностью определенного диаметра, а также регистрации изменения во времени температуры в центре круга.

Недостатком этого способа является отсутствие адаптации по мощности теплового воздействия на объект в процессе эксперимента, что в отсутствии априорной информации о свойствах исследуемых материалов может привести либо к разрушению материалов (плавлению, горению и т.д.), либо к низкому уровню контролируемой избыточной температуры, что обуславливает длительность эксперимента и большую погрешность определения искомых теплофизических характеристик.

Известен способ определения теплофизических характеристик материалов с использованием полубесконечного в тепловом отношении образца [2] состоящий в импульсном тепловом воздействии по прямой линии на его теплоизолированную от окружающей среды поверхность, регистрации временного интервала, соответствующего наперед заданному соотношению изменений температур в двух точках поверхности образца, и измерении мощности теплового воздействия.

Недостатком данного способа является ограниченность мощности теплового воздействия на исследуемый объект, так как воздействие осуществляется только одним импульсом, что часто приводит к большим погрешностям температурно-временных измерений из-за низкого уровня амплитуды контролируемой избыточной температуры. Кроме того, в отсутствии априорной информации о свойствах исследуемых материалов задать оптимальную величину мощности теплового импульса не представляется возможным, мощность задается произвольно перед экспериментом, что в итоге обуславливает большие погрешности измерений, существенное ограничение функциональных возможностей способа, а также может привести к нарушению целостности исследуемых материалов.

За прототип принят способ измерения теплофизических характеристик материалов без нарушения их целостности [3] состоящий в воздействии по прямой линии на исследуемый объект, поверхность которого теплоизолирована от окружающей среды, тепловыми импульсами заданной амплитуды и частоты, регистрации установившегося значения избыточной температуры в двух точках поверхности изделия и числа импульсов, поданных тепловым источником по достижении этих установившихся температур.

Недостатком способа-прототипа является длительное время проведения эксперимента, обусловленное необходимостью измерения установившегося неизменного значения контролируемой избыточной температуры, так как это связано с необходимостью вывода тепловой системы на квазистационарный режим, а также отсутствие адаптации по мощности теплового воздействия в процессе эксперимента, что при малом объеме априорной информации о свойствах исследуемых материалов часто приводит к тому, что установившееся значение контролируемой избыточной температуры превышает температуру термодеструкции исследуемых материалов и последние разрушаются, либо к большой погрешности из-за низкого по амплитуде уровня контролируемых температур.

Технической задачей предполагаемого изобретения является уменьшение времени измерения и повышение точности определения теплофизических характеристик исследуемых материалов.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, состоящем в тепловом воздействии в плоскости контакта исследуемого полуограниченного тела и теплоизолятора от линейного источника тепла, измерении избыточной температуры в точке плоскости контакта исследуемого тела и теплоизолятора, расположенной на заданном расстоянии от линии действия источника, воздействуют на исследуемый объект такой минимальной мощностью q_min, при которой в контролируемой точке появится избыточная температура, определяют момент наступления постоянства относительной скорости изменения избыточной температуры в точке контроля, в заранее заданные два момента времени измеряют избыточную температуру и скорость ее изменения в точке контроля и определяют приближенные значения искомых теплофизических характеристик, воздействуют на исследуемое тело мощностью, величина которой превышает первоначальное значение мощности на заранее заданную величину, фиксируют в последующие заданные два момента времени избыточную температуру и скорость ее изменения в точке контроля и определяют искомые теплофизические характеристики во втором приближении, затем определяют оптимальную мощность теплового воздействия из соотношения где t₀ t₁ + t₂, t₁ интервал времени, в течение которого объект подвергался воздействию первоначальной мощностью q_min; t₂ интервал времени воздействия на объект второй мощностью; t₀ время первоначальной стадии эксперимента; T'(t₀) избыточная температура в точке контроля в момент времени t₀; T_зад заданное значение избыточной температуры в точке контроля, не превышающее температуру термодеструкции объекта; λ, a соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности исследуемого объекта, и воздействуют этой мощностью в течение интервала времени τ_min-t_o при котором скорость термограммы нагрева при достижении T_зад меньше наперед заданного значения, после этого измеряют избыточную температуру в точке контроля в два момента времени, а искомые теплофизические характеристики определяют по соответствующим формулам.

Сущность способа заключается в следующем.

На поверхность исследуемого изделия, теплоизолированную от окружающей среды, помещают линейный источник тепловой энергии, не имея информации о теплофизических свойствах объекта. Осуществляют тепловое воздействие первоначально такой минимальной мощностью q_min, при которой в точке контроля, расположенной на заданном расстоянии x от линии действия источника тепла, появится избыточная температура. Величину этой мощности легко определить экспериментально путем постепенного увеличения ее от нуля до значения, при котором появится избыточная температура в точке контроля. Далее определяют момент времени τ_рег, при котором относительная скорость изменения избыточной температуры в точке контроля станет постоянной (см. чертеж). Затем в два заранее заданных момента времени t₁, τ₂ измеряют избыточную температуру и скорость ее изменения в точке контроля соответственно Тепловой процесс в исследуемой теплофизической системе при этом может быть описан уравнением вида где T(τ) избыточная температура в точке контроля; q(τ) тепловое воздействие от источника энергии; a, b параметры модели, причем в соответствии с электротепловой аналогией (см. Исаченко В. Л. Осипова В.А. Сукомел А.С. "Теплопередача", М. Энергоиздат, 1981) a - температуропроводность, b величина, обратная теплоемкости c исследуемого материала.

При этом, используя конкретные значения температуры и скорости ее изменения в точке контроля, определяют значения a и b из соотношений

здесь q q_min.

Затем воздействуют на исследуемое тело мощностью, величина которой превышает первоначальное значение q_min на некоторую заданную величину (10-20% ) и измеряют в последующие заданные моменты времени τ₃, τ₄ (см. чертеж) температуру и скорость ее изменения в точке контроля:
Используя соотношение (2) определяют значение параметров a и b во втором приближении.

После этого воздействуют на объект мощностью

в течение интервала времени τ_min-t_o, здесь t₀ t₁ + t₂, t₁ интервал времени, в течение которого объект подвергся воздействию первоначальной мощности q_min; t₂ интервал времени воздействия на объект второй мощностью; t₀ время первой стадии эксперимента в точке контроля; T_зад заданное значение избыточной температуры в точке контроля, не превышающее температуру термодеструкции объекта; a и b - коэффициенты или параметры модели (1), определенные во втором приближении. Выражение (3) получено из следующих рассуждений.

Задача оптимального по быстродействию управления источником тепла формируется следующим образом. Объект (1) необходимо перевести из состояния T(τ)=Tʹ(t_o) в состояние T(τ_min)=T_зад при q=q_опт за время τ_min-t_o, при этом скорость изменения температуры в момент достижения T_зад не должна превышать некоторой заранее заданной величины, так как ввиду большой инерционности тепловых объектов термограмма нагрева может превысить заданное значение, что в конечном итоге может привести к разрушению целостности и эксплуатационных характеристик материалов.

Вид оптимального управления, полученный с помощью принципа максимума Понтрягина (см. Математическая теория оптимальных процессов./ Л.С. Понтрягин, В. Г. Болтянский, Р.В. Гамкрелидзе, Е.Ф. Мищенко. М. 1984, 350 с.) для традиционной задачи быстродействия принадлежит классу кусочно-постоянных функций с одним переключением вида

здесь τ_быстр минимально возможное время, за которое избыточная температура достигает T_зад при максимально допустимой мощности q_max для данного материала.

Время τ_быстр определяют следующим образом. Решение дифференциального уравнения (1) имеет вид

Учитывая, что при τ=τ_быстр температура T(τ_быстр)= T_зад, q(τ)= q_max, τ∈ [t_o; τ_быстр] и используя (5), получим

Из (6) получают соотношение для времени быстродействия в виде

Задача оптимального по быстродействию управления, сформулированная выше в предложенном техническом решении, представляет собой обратную задачу по отношению к традиционной. Для нее q_опт получают из соотношения (7), подставив вместо τ_быстр__→τ_min, и учитывая, что λ= a/b в следующем виде

Интервал времени τ_min, входящий в формулу (8), определяют итерационно следующим образом.

Первоначально задают интервал времени τ₁> t_o из соотношения (8) определяют . Используя соотношение (1), рассчитывают скорость термограммы нагрева в точке контроля при достижении T_зад. Сравнивают найденное значение скорости с заранее заданным. Если найденное значение превышает заданное на большую величину, то увеличивают τ на каждом шаге итерации до тех пор, пока скорость термограммы нагрева не достигнет заданного значения. Найденное значение t является минимально возможным t_min для поставленной задачи и используется для вычисления q_опт в соответствии с соотношением (8).

Таким образом, воздействуя на объект мощностью q_опт в течение времени τ_min-t_o достигают заданного температурного режима T_зад (см. чертеж), после чего в фиксированные два момента времени τ₅, τ₆ определяют температуру и скорость ее изменения в точке контроля. Используя соотношения (2), на основе полученной информации в точке контроля рассчитывают искомый комплекс теплофизических характеристик.

Недостатком способа-прототипа является фиксированная по частоте и амплитуде подача тепловых импульсов, т.е. фиксированный на протяжении всего эксперимента подвод тепловой энергии от источника к объекту исследования, что обуславливает в ряде случаев вывод тепловой системы на установившуюся квазистационарную температуру, величина которой превышает температуру термодеструкции исследуемого материала, в результате чего материал разрушается (плавится, горит и т.д.). Существенным недостатком способа-прототипа является отсутствие адаптации по мощности теплового воздействия на объект исследования в процессе эксперимента, что, во-первых, затрудняет его применение для исследования новых, синтезируемых материалов, о теплофизических свойствах которых перед экспериментом нет никакой информации, во-вторых, обуславливает длительное время проведения эксперимента, т.к. установившееся неизменное значение контролируемой температуры (квазистационарный режим) наступает не ранее интервала времени релаксации температурного поля в точке контроля при действии одного теплового импульса.

Время же релаксации температурного поля, определяемое интервалами времени от нанесения теплового импульса на поверхность исследуемого тела до момента равенства температуры в точках теплового воздействия его первоначальному значению, очень большое и для большинства исследуемых классов материалов составляет не менее часа, так как это время соизмеримо с временем термостабилизации, термостатирования системы. Кроме того, недостатком данного способа является невысокая точность определения искомых теплофизических характеристик, так как, во-первых, произвольное задание перед экспериментом мощности теплового воздействия в неизменность его в процессе эксперимента выводят тепловую систему для многих исследуемых материалов на низкий по амплитуде уровень контролируемой установившейся температуры, что обусловит большую погрешность температурно-временных измерений, во-вторых, большая длительность теплофизического эксперимента, обусловленная необходимостью вывода тепловой системы на квазистационарный режим при постоянстве мощности теплового воздействия, также повышает погрешность определения искомых теплофизических характеристик из-за неучтенных тепловых потерь и утечек, величина которых возрастает пропорционально времени эксперимента.

Предложенный способ свободен от указанных выше недостатков, так как в процессе теплофизического эксперимента в заявленном техническом решении адаптивно, с учетом свойств конкретного исследуемого объекта, определяется оптимальная по критерию минимума времени на вывод системы на заранее заданный температурный режим мощность теплового воздействия. Причем большим преимуществом заявленного способа является то, что мощность теплового воздействия на исследуемый объект определяется при условии, что скорость термограммы нагрева при выходе тепловой системы на заданный режим не превышает заранее заданной величины, что полностью исключает возможность разрушения целостности исследуемых материалов из-за превышения температуры над заданным значением вследствие большой инерционности тепловых объектов. Эти преимущества заявленного способа позволяют применять его практически для любых мало изученных новых материалов с полной гарантией сохранения их целостности и эксплуатационных характеристик, что значительно расширяет функциональные возможности предложенного технического решения.

Кроме того, предложенный способ имеет более высокие метрологические характеристики по сравнению с известными техническими решениями, так как ввиду оперативности вывода тепловой системы на заданный температурный режим существенно уменьшается погрешность из-за неучтенных тепловых потерь, а также и погрешность температурно-временных измерений, ибо амплитудный уровень контролируемых избыточных температур в заявленном режиме определен заранее с учетом метрологических возможностей контрольно-измерительной аппаратуры.

Для проверки работоспособности заявленного технического решения был создан макет устройства, основным блоком которого является контроллер, выполненный на микропроцессоре КР580ВМ80. Измерительный преобразователь устройства выполнен в виде выносного зонда, на контактной поверхности которого закреплены нихромовый линейный нагреватель в виде проволоки ⊘ = 0,1 мм и хромель-копелевая микротермопара, электроды которой сварены встык и расположены на фиксированном расстоянии от линии нагревателя и параллельно ей. При проведении эксперимента измерительный зонд прижимается с постоянным усилием к поверхности исследуемого образца, на нагреватель подается мощность, изменяемая в процессе эксперимента в соответствии с изложенной в описании заявителя последовательностью, управление экспериментом и расчет оптимальной мощности по критерию минимума времени осуществляются процессором. Данные эксперимента приведены в таблице. Проведенная экспериментальная проверка показала корректность разработанных теоретических положений, положенных в основу заявленного технического решения способа, а также работоспособность адаптивного способа неразрушающего контроля теплофизических характеристик твердых материалов.

Таким образом, предложенный способ по сравнению с известными техническими решениями имеет большую оперативность и точность определения искомых теплофизических свойств, а также широкие функциональные возможности, что несомненно позволит широко его применять во многих отраслях народного хозяйства и практике теплофизических измерений.

Формула изобретения

Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, состоящий в тепловом воздействии в плоскости контакта исследуемого полуограниченного тела и теплоизолятора от линейного источника тепла, измерении избыточной температуры в точке плоскости контакта исследуемого тела и теплоизолятора, расположенной на заданном расстоянии от линии действия источника, отличающийся тем, что воздействуют на исследуемый объект такой минимальной мощностью q_min, при которой в контролируемой точке появится избыточная температура, определяют момент наступления постоянства относительной скорости изменения избыточной температуры в точке контроля, в заранее заданные два момента времени измеряют избыточную температуру и скорость ее изменения в точке контроля, и определяют приближенные значения искомых теплофизических характеристик, воздействуют на исследуемое тело мощностью, величина которой превышает первоначальное значение мощности на заранее заданную величину, фиксируют в последующие заданные два момента времени избыточную температуру и скорость ее изменения в точке контроля и определяют искомые теплофизические характеристики во втором приближении, затем определяют оптимальную мощность теплового воздействия из соотношения

где t₀ t₁ + t₂, t₁ интервал времени, в течение которого объект подвергался воздействию первоначальной мощностью q_min;
t₂ интервал времени воздействия на объект второй мощностью;
t₀ время первоначальной стадии эксперимента;
T'(t₀) избыточная температура в точке контроля в момент времени t₀;
T_зад заданное значение избыточной температуры в точке контроля, не превышающее температуру термодеструкции объекта;
λ, a - соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности исследуемого объекта,
и воздействуют этой мощностью в течение интервала времени τ_min-t_o, при котором скорость термограммы нагрева по достижении T_зад меньше наперед заданного значения, после этого измеряют избыточную температуру в точке контроля в два момента времени, а искомые теплофизические характеристики определяют по соответствующим формулам.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2