Бесконтактный адаптивный способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов

 

Изобретение относится к области измерительной техники. Сущность состоит в том, что способ включает воздействие на поверхность тела точечным подвижным источником и измерение избыточной предельной температуры термоприемником, движущимся со скоростью источника. В способе фокусируют термоприемник в точку поверхности объекта на линии, перпендикулярной линии движения источника тепла и проходящей через центр пятна нагрева на расстоянии R₀ от него, при котором с использованием экранирования исключается влияние источника на результаты измерений. Изменяют скорость движения приемника и источника и рассчитывают теплофизические характеристики с учетом измеренных значений указанной скорости. Технический результат - повышение точности определения теплофизических характеристик материалов. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технической физике, а именно к теплофизическим измерениям.

Известен способ определения теплопроводности материалов (авт. св. СССР N 1032382, кл. G 01 N 25/18, 1983 г.), включающий нагрев поверхности исследуемого образца и эталона подвижным точечным источником энергии, измерение начальных температур исследуемого и эталонного образцов датчиком температуры, двигающегося с фиксированным отставанием от источника энергии, а также определение предельных избыточных температур образцов, с помощью которых рассчитывают искомую величину.

Недостатком способа является то, что мощность источника энергии, скорость его движения относительно исследуемых образцов, расстояние смещения между источником и термоприемником задаются перед экспериментом произвольно, что в отсутствии априорной информации о теплофизических характеристиках исследуемых материалов приводит либо к перегреву образцов до избыточной температуры, выше температуры термодеструкции, либо значения контролируемых температур очень низки и появляются метрологические трудности при их измерении, что существенно ограничивает точность и достоверность получаемой измерительной информации.

Известен способ неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов, заключающийся в воздействии на поверхность тела точечным подвижным источником определенной мощности, измерении избыточной предельной температуры нагреваемой поверхности в точках поверхности тела, движущихся со скоростью источника по линиям, параллельным линии его движения, изменении мощности источника энергии, измерении избыточных температур и вычислении по полученным данным искомых величин (авт. св. СССР N 1377695, кл. G 01 N 25/18, 1986 г.).

Недостатком этого способа является то, что он не позволяет адаптивно в зависимости от теплофизических свойств контролируемых материалов изменять энергетические и режимные параметры в процессе теплофизического эксперимента, что часто приводит к нарушению целостности исследуемых образцов из-за их перегрева.

За прототип принят способ бесконтактного контроля теплофизических характеристик материалов, в котором на поверхность исследуемого тела воздействуют точечным источником тепла, перемещаемым по прямой линии с постоянной скоростью, регистрируют избыточные температуры в точках поверхности с некоторым отставанием на той же линии и на параллельной ей и по величине избыточных температур вычисляют искомые теплофизические характеристики (авт. св. СССР N 1481656, кл. G 01 N 25/18, 1987 г.).

Недостатком способа-прототипа является невысокая точность определения искомых характеристик, так как мощность источника энергии и скорость его движения относительно исследуемых образцов задаются перед экспериментом произвольно, что в отсутствии априорной информации о теплофизических характеристиках исследуемых материалов приводит либо к перегреву образцов до избыточной температуры, выше температуры термодеструкции, либо значения контролируемых температур очень низки и появляются метрологические трудности при их измерении, что обуславливает дополнительную погрешность в результатах измерения.

Техническая задача изобретения - повышение точности определения теплофизических характеристик материалов.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в бесконтактном адаптивном способе неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, состоящем в воздействии на поверхность тела точечным подвижным источником определенной мощности, измерении избыточной предельной температуры нагреваемой поверхности в точках поверхности тела термоприемником, движущимся со скоростью источника по линии, параллельной линии его движения, изменении расстояния между точкой контроля температуры и центром пятна нагрева источника, регистрации взаимного положения точек подвода тепла и измерения температуры термоприемником, перед началом движения фокусируют термоприемник в центр пятна нагрева, включают источник энергии с начальной минимальной мощностью, при которой в центре пятна нагрева появляется избыточная температура, уровень которой выше чувствительности измерительной аппаратуры, увеличивают мощность источника энергии и синхронно с его выключением измеряют избыточную температуру в центре пятна нагрева до тех пор, пока измеряемая температура в центре пятна нагрева станет равной 0,8-0,9 температуры термодеструкции Т_терм исследуемого материала, фокусируют термоприемник в точку поверхности исследуемого объекта на линии, перпендикулярной линии движения источника тепла и проходящей через центр пятна нагрева на расстоянии R₀ от него, при котором с использованием экранирования исключается влияние источника энергии на результаты измерений температуры вследствие прямого воздействия на термоприемник, частично отраженного от поверхности объекта лазерного луча, начинают движение источника и термоприемника и смещают точку контроля температуры от пятна нагрева по линии, параллельной линии движения источника в сторону отставания от него на расстояние, при котором значение контролируемой избыточной температуры в точке ее регистрации достигнет максимального значения, измеряют это расстояние, увеличивают мощность источника энергии на величину, при которой измеряемая избыточная температура окажется в пределах установленного диапазона от заранее заданного значения избыточной температуры, измеряют это значение мощности источника энергии, затем плавно изменяют скорость движения термоприемника и источника энергии на величину, при которой измеряемая избыточная температура станет равной заданному значению температуры, измеряют это значение скорости движения, увеличивают первоначально заданное значение избыточной температуры в два раза и повторяют вышеописанные операции, а искомые теплофизические характеристики определяют из следующих соотношений: где а - коэффициент температуропроводности, м²/с; λ - коэффициент теплопроводности изделия, Вт/м²К; T_зад2 - второе заданное значение избыточной температуры; R₁ - расстояние между центром пятна нагрева и точкой экстремального (максимального) значения контролируемой избыточной температуры, м; x₁ - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки, расположенной на расстоянии R₁ от него, на линию движения источника тепла, м; V₁, V₂ - скорости движения источника и термоприемников относительно исследуемого тела, м/с; q₁, q₂ - мощности источника тепла, Вт.

Сущность способа заключается в следующем. Над исследуемым изделием 1 помещают точечный источник тепловой энергии 2 и термоприемник 3, сфокусированный на поверхность, подверженной тепловому воздействию, и регистрирующий температуру этой поверхности по ее электромагнитному излучению (фиг. 1). Термоприемник, установленный на высоте z от поверхности исследуемого образца, жестко связан с экраном 4, расположенного с зазором от поверхности образца на высоте z₀.

Термоприемник фокусируют в центр пятна нагрева. Включают источник энергии с начальной минимальной мощностью q_min, при которой в центре пятна нагрева появляется избыточная температура, уровень которой выше чувствительности измерительной аппаратуры. Тепловое воздействие на поверхность исследуемого образца производят в течение некоторого времени τ_в, после чего выключают источник энергии (лазер) на время, необходимое для измерения избыточной температуры в центре пятна нагрева. Постепенно увеличивают мощность источника энергии и синхронно с его выключением измеряют избыточную температуру в центре пятна нагрева. Увеличение мощности источника энергии осуществляют до тех пор, пока измеряемая температура в центре пятна нагрева станет равной 0,8-0,9 температуры термодеструкции T_терм исследуемого материала. При этом фиксируют значение мощности источника q₀.

Далее фокусируют термоприемник в точку поверхности исследуемого объекта на линии, перпендикулярной линии движения источника тепла и проходящей через центр пятна нагрева на расстоянии R₀ от него (фиг. 1), и начинают перемещение источника энергии и термоприемника над исследуемым изделием с начальной скоростью V₀, величина которой берется такой, чтобы при выбранной мощности источника q₀ в точке контроля появлялась избыточная температура, уровень которой выше чувствительности измерительной аппаратуры. Значение расстояния R₀ берется таким, чтобы при расположении термоприемника на высоте z от поверхности исследуемого образца, а экрана - на высоте z₀, отсутствовало влияние источника энергии на результаты измерений температуры вследствие прямого воздействия на термоприемник, частично отраженного от поверхности объекта лазерного луча. Затем постепенно смещают термоприемник из начальной точки контроля R₀ по линии, параллельной линии движения источника энергии, в сторону отставания до тех пор, пока контролируемая избыточная температура в точке ее регистрации достигнет максимального значения.

Поиск максимального значения контролируемой избыточной температуры осуществляется следующим образом. Перемещают термоприемник относительно источника энергии, изменяя отставание термоприемника на расстояние Δx = k₁[T(R_i) - T(R_i-1) ]/[x_i-x_i-1], где T(R_i), T(R_i-1) - значения избыточных температур, измеряемых термоприемником в точках, расположенных соответственно на расстояниях R_i и R_i-1 от центра пятна нагрева при скорости V₀; x_i, x_i-1 - расстояния между центром пятна нагрева и проекцией точек, расположенных соответственно на расстояниях R_i и R_i-1 от него, на линию движения источника тепла; k_i - коэффициент пропорциональности.

Изменение расстояния (перемещение) между точкой измерения температуры термоприемником и точкой подвода теплоты осуществляют до тех пор, пока контролируемая температура в точке ее регистрации достигнет максимального значения, т.е.

T(R_i)-T(R_i-1)≤ ε, где ε - чувствительность измерительной аппаратуры.

Это будет соответствовать экстремуму функции T(x) при скорости V₀ (фиг. 2). При этом измеряют значение расстояния x₁ между центром пятна нагрева и проекцией точки контроля температуры на линию движения источника тепла и определяют значение расстояния R₁ между точкой подвода теплоты и точкой контроля температуры: Далее постепенно увеличивают мощность источника энергии q на величину Δq = k₂[T_зад1 - T(R₁)],
где T_зад1 - заданное значение избыточной температуры, величина которой задается в диапазоне 30-40% от температуры термодеструкции T_терм исследуемого материала; T(R₁) - значение избыточной температуры в точке контроля, расположенной на расстоянии R₁ от центра пятна нагрева; k₂ - коэффициент пропорциональности. Изменение мощности источника энергии q осуществляют до тех пор, пока измеряемая избыточная температура T(R₁) не окажется в пределах заданного диапазона от температуры _зад1 (например, от 0,8·T_зад1 до T_зад1). При этом измеряют значение мощности источника энергии q₁.

Затем плавно изменяют скорость движения V термоприемника и источника энергии в соответствии с зависимостью
V_i+1 = V_i - ΔV,
где Δ V = k₃[T_зад1 - T(V_i)] + k₄[T_зад1 - T(V_i)]·[V_i-1 - V_i] + k₅[T_зад1 - T(V_i)] /[V_i-1 - V_i], k₃, k₄, k₅ - коэффициенты пропорциональности. Изменение скорости движения V осуществляют до тех пор, пока измеряемая в точке контроля R₁ избыточная температура T(V_i) станет равной заданному значению температуры T_зад1. При этом измеряют значение скорости движения V₁.

Затем, увеличив заданное значение избыточной температуры T_зад1 в два раза (T_зад2 = 2T_зад1), повторяют вышеописанные процедуры измерения.

В результате определяют значения параметров q₂ и V₂, при которых выполняется вышеуказанное соотношение контролируемых избыточных температур, а искомые теплофизические характеристики определяют по зависимостям, полученным на основании следующих рассуждений.

Известно (см. , например, Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. - М.: Машгиз, 1951. - 296 с.), что при нагреве поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела подвижным точечным источником тепловой энергии избыточная предельная температура поверхности исследуемого тела в точке, перемещающейся вслед за источником соответственно со скоростями V₁ и V₂ и находящейся на расстоянии R₁ от него, определяется зависимостями:


где λ - коэффициент теплопроводности изделия, Вт/мК; x₁ - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки, расположенной на расстоянии R₁ от него, на линию движения источника тепла, м; a - коэффициент температуропроводности исследуемого материала.

После несложных математических преобразований выражений (1) и (2) с учетом того, что
T₂(R₁) = 2T₁(R₁) = T_зад2,
получаем формулу для расчета температуропроводности в виде

Теплопроводность определяют по формуле, полученной при подстановке выражения (3) в (2) и имеющей вид

Таким образом, определив расстояние R₁, мощности источника энергии q₁ и q₂, скорости движения источника энергии над поверхностью тела ₁ и V₂, по формулам (3) и (4) можно определить искомые теплофизические характеристики.

Предложенный способ позволяет проводить адаптивный поиск оптимальных в метрологическом отношении расстояния от источника энергии до точки контроля температуры, так как в процессе проведения измерений производится поиск самых теплонагруженных точек на поверхности исследуемых объектов и контролируются в этих точках максимальные по уровню температуры, что уменьшает относительную погрешность измерений, а следовательно, повышает точность разработанного способа.

Представленный здесь бесконтактный способ позволяет адаптивно выбрать такую мощность теплового воздействия на исследуемый объект, при которой избыточная температура в самых теплонагруженных точках не превышает температуру термодеструкции исследуемого материала, что полностью исключает возможность разрушения исследуемых изделий в процессе измерений.

Адаптивный поиск как координат измерения температуры, так и мощности источника энергии и скорости движения источника с термоприемником относительно исследуемого изделия в условиях недостаточной априорной информации о его теплофизических характеристиках, позволяет также расширить функциональные возможности предложенного способа, в частности, за счет увеличения перечня испытуемых материалов и диапазона определяемых теплофизических характеристик.

В предложенном способе тепловая система более плавно и за меньший интервал времени выводится на заданный тепловой режим, так как изменением мощности источника тепла система оперативно выводится на первый температурный подуровень T = (0,8·T_зад1 - T_зад1), а затем, за счет адаптивного изменения скорости, система плавно выводится на заранее заданный температурный уровень _зад1, на котором и снимается измерительная информация для расчета искомых теплофизических характеристик.

То, что влияние изменения мощности на термограмму нагрева значительно выше, чем влияние изменения скорости легко доказать, определив функции влияния на контролируемую избыточную температуру изменения параметров V и q в выражении (1). Так функция чувствительности от влияния изменения мощности q определяется как

где T - температура.

Функция чувствительности от влияния скорости V будет равна:

Поскольку практически для всех исследуемых в теплофизике твердых материалов коэффициент температуропроводности а находится в диапазоне от 10^-7 м²/с до 10^-6 м²/с, а при реализации заявленного способа скорость движения V источника и термоприемника изменяется в диапазоне от 1 мм/с до 10 мм/с и разность (R-x) не выходит за пределы от 0,01 мм до 0,5 мм, то всегда функция чувствительности S_v<1, т.е. S_g >S_v. Отсюда следует, что изменение скорости оказывает меньшее, чем мощность, влияние на изменение избыточной температуры в точке контроля, что обеспечивает плавный вывод системы с предуровня на заданный температурный режим.

Таким образом, в разработанном способе предложенная последовательность операций позволяет минимизировать время выхода контролируемой избыточной температуры на заданный уровень, в результате чего значительно увеличивается оперативность теплофизического эксперимента, а следовательно, и точность определения искомых теплофизических характеристик за счет уменьшения влияния неучтенных тепловых потерь.

Проведенная экспериментальная проверка показала, что предложенное техническое решение по сравнению с известными способами позволило на 3-5% повысить точность результатов измерения. Результаты ряда экспериментов на изделиях с известными теплофизическими характеристиками, проведенные с использованием заявленного технического решения и прототипа, приведены в таблице.

Формула изобретения

Бесконтактный адаптивный способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, заключающийся в том, что воздействуют на поверхность тела точечным подвижным источником определенной мощности, измеряют избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности в точках поверхности тела термоприемником, движущимся со скоростью источника по линии, параллельной линии его движения, изменяют расстояние между точкой контроля температуры и центром пятна нагрева источника, регистрируют взаимное положение точек подвода тепла и измерения температуры термоприемником и полученные данные используют при определении искомых величин, отличающийся тем, что перед началом движения фокусируют термоприемник в центр пятна нагрева, включают источник энергии с начальной минимальной мощностью, при которой в центре пятна нагрева появляется избыточная температура, уровень которой выше чувствительности измерительной аппаратуры, увеличивают мощность источника энергии и синхронно с его выключением измеряют избыточную температуру в центре пятна нагрева до тех пор, пока измеряемая температура в центре пятна нагрева станет равной 0,8 - 0,9 температуры термодеструкции T_терм исследуемого материала, фокусируют термоприемник в точку поверхности исследуемого объекта на линии, перпендикулярной линии движения источника тепла и проходящей через центр пятна нагрева на расстоянии R₀ от него, при котором с использованием экранирования исключается влияние источника энергии на результаты измерений температуры вследствие прямого воздействия на термоприемник частично отраженного от поверхности объекта лазерного луча, начинают движение источника и термоприемника и смещают точку контроля температуры от пятна нагрева по линии, параллельной линии движения источника в сторону отставания от него на расстояние, при котором значение контролируемой избыточной температуры в точке ее регистрации достигнет максимального значения, измеряют это расстояние, увеличивают мощность источника энергии на величину, при которой измеряемая избыточная температура окажется в пределах установленного диапазона от заранее заданного значения избыточной температуры, измеряют это значение мощности источника энергии, затем плавно изменяют скорость движения термоприемника и источника энергии на величину, при которой измеряемая избыточная температура станет равной заданному значению температуры, измеряют это значение скорости движения, увеличивают первоначально заданное значение избыточной температуры в два раза и повторяют вышеописанные операции, а искомые теплофизические характеристики определяют из следующих соотношений:


где a - коэффициент температуропроводности, м²/с;
λ - коэффициент теплопроводности изделия, Вт/м²К;
T_зад2 - второе заданное значение избыточной температуры;
R₁ - расстояние между центром пятна нагрева и точкой экстремального (максимального) значения контролируемой избыточной температуры, м;
x₁ - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки, расположенной на расстоянии R₁ от него, на линию движения источника тепла, м;
V₁, V₂ - скорости движения источника и термоприемников относительно исследуемого тела, м/с;
q₁, q₂ - мощности источника тепла, Вт.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3