Способ неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и изделий

Изобретение относится к методам измерительной техники. Способ включает тепловое воздействие линейным нагревателем термозонда на поверхность исследуемого объекта и регистрацию предварительной тестовой термограммы, по которой оценивают теплопроводность исследуемого объекта или разность среднеинтегральных температур, фиксируют τ*_уст - время достижения установившегося теплового режима и определяют n* - оптимальное количество тепловых импульсов, подаваемых на исследуемый объект до наступления установившегося теплового режима. Проводят измерения по определению теплофизических свойств материалов с прогнозируемой погрешностью. Технический результат - повышение оперативности и точности неразрушающего контроля. 1 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к теплофизическим измерениям.

Известно устройство (термозонд), реализующее метод неразрушающего контроля теплопроводности материалов (патент на изобретение №2123179, кл. G01 25/18, 1998 г.), содержащее цилиндрический корпус, состоящий из двух частей, соединенных между собой с помощью четырех винтов, на которых установлены пружины, обеспечивающие прижатие измерительной головки к поверхности исследуемого объекта, при этом измерительная головка имеет возможность возвратно-поступательного движения в цилиндрической полости корпуса. Измерительная головка состоит из держателя с размещенными на нем эластичной пластиной и теплоизоляционной подложкой.

На поверхности теплоизоляционной подложки расположены линейный нагреватель и термочувствительный элемент, который представляет собой термобатарею, состоящую из двух термопар, расположенных в канавках теплоизолятора симметрично относительно линии нагрева.

Недостатком термозонда является низкая производительность измерений, обусловленная необходимостью охлаждения измерительной головки термозонда после каждого эксперимента до температуры окружающей среды, так как температура поверхности исследуемых изделий перед теплофизическим экспериментом равна температуре среды, а необходимым условием работы термозонда (получение достоверных результатов) является равенство температур его измерительной головки и исследуемых объектов перед началом эксперимента. Кроме этого, существенным недостатком термозонда является также дополнительная погрешность, обусловленная влиянием на результаты измерения остаточного аккумулированного тепла в подложке измерительной головки от предыдущего эксперимента.

За прототип принят оперативный метод неразрушающего контроля (НК) теплофизических свойств материалов (ТФСМ) [В.Н.Чернышов, З.М.Селиванова. Оперативный метод неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов // Вестник ТГТУ, - Тамбов. - 2002. - Т8, №1, с.79-83], сущность которого заключается в следующем. После проведения очередного теплофизического измерения с использованием метода НК ТФСМ, основанного на тепловом воздействии на поверхность исследуемого объекта (ИО) линейного нагревателя импульсами заданной частоты и мощности, помещают измерительный термозонд на вспомогательный образец из материала, близкого по теплофизическим свойствам к материалу подложки термозонда (фиг.1).

При частотно-импульсном воздействии на исследуемый объект температуру T(х, z, τ) в точках контроля х, z при подаче n-го импульса рассчитывают по формуле

где F - частота тепловых импульсов; Δτ - интервал времени между тепловыми импульсами; Q - мощность теплового воздействия; λ, а - коэффициенты тепло- и температуропроводности; τ - время; х, z - координаты точки контроля температуры.

На фиг.1 представлена физическая модель системы термозонд - вспомогательный образец", где введены следующие обозначения: 1 - подложка термозонда (тело 1); 2 - вспомогательный образец (тело 2); 3 - контактная плоскость X0Y измерительной головки термозонда; 4 - плоскость Z0Y, проходящая через линию нагревателя и перпендикулярная плоскости X0Y; 5 - основная термобатарея в плоскости X0Y; 6 - вспомогательная термобатарея в плоскости Z0Y термозонда; 7 - нагреватель; х₂, х₁ - точки контроля температуры в плоскости X0Y, причем точка х₂ расположена на заданном расстоянии от нагревателя, при котором отсутствует прямое влияние нагревателя за счет воздействия лучистого и конвективного теплообмена, а точка х₁ - на расстоянии от края подложки, обеспечивающем отсутствие влияния краевого эффекта на результаты измерения из-за ограниченности размеров подложки зонда; z₂, z₁ - точки контроля температуры в плоскости Z0Y, при этом точка z₁ расположена аналогично точке х₂, a z₂ - на глубине, которая устраняет действие краевого эффекта из-за ограниченности подложки.

Далее контролируют перепад температур в плоскости X0Y, z=0 в точках х₂, х₁, который определяется выражением

Аналогично определяем перепад температур в плоскости Y0Z, х=0 в точках z₂, z₁:

Затем определяют момент времени, когда величина контролируемых перепадов температур ΔT₁ и ΔT₂ внутри подложки станет меньше наперед заданного значения ε, то есть ΔТ₁<ε и ΔT₂<ε. На практике значение ε задается обычно не выше 0,2÷0,3°С, что позволяет считать наступление момента уравнивания (усреднения) температуры по всему объему подложки.

Как только перепады температур по объему подложки термозонда станут меньше заданной величины ε, что соответствует усреднению температуры по объему подложки термозонда, измерительный зонд приводят в контакт со следующим исследуемым объектом для проведения очередного измерения и определения искомых ТФС в соответствии с реализуемым в системе частотно-импульсным методом. При этом в системе термозонд - исследуемый объект происходят два тепловых процесса.

Первый соответствует граничным условиям 4-го рода, т.е. теплообмену при контакте двух тел, температура одного из которых (подложки термозонда) выше другого. При этом на границе соприкосновения этих тел температура устанавливается сразу после соприкосновения тел и остается постоянной на протяжении всего процесса теплообмена, так как относительная температура будет одинакова

где К_Э - критерий, характеризующий тепловую активность первого тела по отношению ко второму, , здесь λ₁, а₁ - коэффициенты тепло- и температуропроводности подложки; λ₂, а₂ - коэффициенты тепло- и температуропроводности исследуемого объекта.

Второй тепловой процесс вызван действием импульсного источника тепла, помещенного в плоскости контакта двух тел. В соответствии с принципом суперпозиции температурное поле в каждой точке контактной поверхности будет определяться действием двух теплообменных процессов:

где Т_n - температура, обусловленная действием остаточного тепла, аккумулированного в подложке термозонда от предыдущего измерения; T_н (x, τ) - температура, обусловленная действием импульсного источника тепла.

Но поскольку рабочие термопары на контактной поверхности подложки находятся в абсолютно одинаковых условиях по отношению к первому теплообменному процессу (см. соотношение (4)), то их дифференциальное включение исключает влияние этого теплового процесса на выходную измерительную информацию с основной дифференциальной термобатареи, следовательно, рабочие дифференциальные термобатареи фиксируют и выдают информацию только о температурно-временных изменениях (температурном поле) от действия линейного импульсного источника тепла. Таким образом, на полученную измерительную информацию в следующих экспериментах не оказывает влияние остаточное, аккумулированное в подложке зонда тепло от предыдущего измерения, т.е. полученная измерительная информация позволяет определить ТФС следующего исследуемого объекта без влияния на результат измерения предыдущих экспериментов.

Основным недостатком известных методов, применяющихся для НК ТФСМ, является то, что неотъемлемым, с точки зрения метрологии, условием его работы является необходимость после каждого измерения охлаждения измерительной головки до температуры окружающей среды с целью достижения равенства температур измерительной головки зонда и исследуемого объекта. Но поскольку охлаждение подложки измерительной головки осуществляется в основном только через одну контактную поверхность, а боковые поверхности подложки находятся внутри корпуса зонда практически при адиабатических условиях, то этот процесс очень длительный и составляет в среднем не менее 10-30 мин. В методе-прототипе необходимым условием начала следующего измерения является момент наступления температурного уравнивания (усреднения) в объеме подложки, которое наступает для большинства применяемых для подложки теплоизоляционных материалов за 2-3 мин. Таким образом, производительность измерений при использовании метода-прототипа увеличивается не менее, чем в 5-10 раз.

Основными недостатками метода-прототипа являются следующие: отсутствие расчетно-экспериментальных зависимостей для определения и использования в теплофизических измерениях оптимального количества тепловых импульсов, подаваемых на исследуемые объекты с различной теплопроводностью, времени достижения установившегося теплового режима в области контакта термозонда и исследуемого объекта и момента уравнивания температур в области контакта термозонда и вспомогательного образца при определении ТФС с различной теплопроводностью, что снижает оперативность и точность измерения.

Целью предлагаемого изобретения является повышение оперативности и точности неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов и изделий.

Поставленная цель достигается тем, что в способе неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и изделий, заключающемся в тепловом воздействии линейным нагревателем термозонда на поверхность исследуемого объекта, регистрации температурно-временных характеристик поверхности, определении момента усреднения температуры по объему подложки термозонда при помещении его на вспомогательный образец перед началом теплофизического измерения, дополнительно регистрируют предварительную тестовую термограмму, по которой оценивают теплопроводность исследуемого объекта или разность среднеинтегральных температур после подачи (i-1)-го и i-го импульсов снимаемой термограммы, при этом фиксируют - время достижения установившегося теплового режима в области термозонда и объекта, определяют n^* - оптимальное количество тепловых импульсов, подаваемых на исследуемый объект, до наступления установившегося теплового режима, выбирают - оптимальный промежуток времени усреднения температуры по объему подложки термозонда, и с помощью полученных параметров теплофизических измерений - , n^*, проводят измерения по определению теплофизических свойств материалов с прогнозируемой погрешностью. При оценке разности среднеинтегральных температур - ΔТ_ср используют неравенство ΔT_cp(i)≤α, где величина а установлена экспериментально из условия обеспечения погрешности при изменении λ не более 5%.

В известных методах и термозондах, реализующих эти методы, используемых информационно-измерительными системами (ИИС) НК ТФСМ, тепловое воздействие наносится в виде импульсов с заданной длительностью и скважностью. Количество тепловых импульсов определяется моментом достижения установившегося теплового режима в объекте с наименьшей теплопроводностью из числа исследуемых материалов, теплопроводность которых соответствует определяемому диапазону теплопроводности ИИС. В результате для исследуемых объектов с большей теплопроводностью время достижения установившегося теплового режима будет значительно меньше и не реализуются резервы повышения оперативности работы ИИС.

На фиг.2 представлены термограммы ИО с различными значениями λ: рипора, пенопласта, минераловатной плиты, войлока, линолеума, бетона, полиметилметакрилата (ПММ), ТФСМ которых определяются с использованием ИИС при мощности теплового воздействия 2,5 Вт.

Анализ приведенных термограмм показывает, что время τ_уст достижения установившегося теплового режима существенно зависит от теплопроводности исследуемых объектов, и тем больше, чем меньше теплопроводность материала. Так, для рипора (τ_уст.р.≈140 с) это время почти в 2 раза превышает τ_уст. для бетона (τ_уст.б.≈80 c). Отсюда следует, что при работе с ИО данного класса нецелесообразно в ИИС задавать одно фиксированное время τ_уст.р.≈140 с (это соответствует подаче n_р тепловых импульсов). Время τ_уст. должно выбираться с учетом λ конкретного материала (фиг.3).

Данные обстоятельства учитываются в разработанной интеллектуальной ИИС для повышения оперативности контроля при обеспечении требуемой точности результатов.

Потери точности и оперативности ИИС НК ТФСМ в результате нерационального выбора времени достижения установившегося теплового режима могут быть оценены с помощью показателей точности (П_m) и оперативности (П_оп). В качестве П_m будем использовать погрешность измерений, а показателем П_оп будет служить время измерения ТФСМ. Функциональные зависимости этих потерь от τ_уст должны учитывать применяемый метод НК ТФСМ и влияние дестабилизирующих факторов (ДФ), т.е.

где М - используемый в ИИС метод НК ТФСМ, О - объект исследования, D - массив дестабилизирующих факторов (температура окружающей среды, шероховатость поверхности ИО, влажность, контактное термосопротивление).

Графическое представление вышеуказанных функций для метода M1, рассмотренного в прототипе, и исследуемого материала - бетона (ИО_б) приведено соответственно на фиг.4 и 5 для усредненных значений λ и при ДФ, характерным для условий лабораторных испытаний. Аналогичные зависимости имеют место для других методов и материалов при определении их теплопроводности в лабораторных условиях.

Таким образом, для каждого метода и ИО существует некоторое значение τ_уст, при котором общие потери минимальны. Для определения оптимального значения введем критерий оптимальности, комплексно учитывающий потери точности и оперативности, т.е.

где С₁, С₂ - весовые коэффициенты.

Изменение критерия J=f(τ_уст, O) при C₁=C₂=1 для зависимостей потерь, приведенных на фиг.4, 5, показано на фиг.6, оптимальное время достижения установившегося теплового режима в данном случае равно 80 с.

В базе знаний (БЗ) интеллектуальной ИИС содержатся:

- зависимости функций потерь вида (6) для различных методов и материалов;

- формулы расчета оптимального времени в зависимости от выбранных весовых коэффициентов (см. (7));

- зависимость τ_уст от λ при использовании различных методов (см. фиг.3);

- рекомендуемые значения величины α, свидетельствующей о установившемся тепловом режиме для различных материалов (теплопроводностей) (см. фиг.7);

- рекомендуемые значения времени усреднения температуры подложки термозонда для материалов с различной теплопроводностью τ_уср (см. фиг.8).

Предлагаемый способ неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и изделий позволяет определить с использованием сведений, содержащихся в базе данных, оптимальное количество тепловых импульсов n^*, подаваемых на ИО до достижения установившегося теплового режима в области контакта исследуемого объекта и термозонда.

Оптимальное число тепловых импульсов n^* в зависимости от измерительной ситуации определяется одним из следующих способов. При первом способе значение теплопроводности ИО известно с достаточной мерой доверия и n^* определяется по зависимости, приведенной на фиг.3, по величине τ_уст.

Для этого используется формула

τ^* _уст.=τ_и·n^*+Δτ(n^*-1)

или

здесь τ_и - длительность импульсов.

Измерительная процедура первого способа заключается в следующем. По предварительной тестовой термограмме на первом этапе измерения ТФСМ оценивают λ ИО и по графику τ_уст.=f(λ) фиксируют τ^* _уст. Затем по формуле (8) определяют число тепловых импульсов, которое надо подать на ИО до наступления установившегося теплового режима.

Термограммы, приведенные на фиг.2, получены при длительности импульсов τ_и=0,6 с и Δτ=5 с. В этом случае, например, для рипора согласно формуле (8)

для бетона

Таким образом, число подаваемых тепловых импульсов при измерении ТФС линолеума по сравнению с числом импульсов для рипора сократилось с 26 до 15 (соответственно время - со 140 до 80 с), т.е. оперативность определения ТФС увеличилась на 42,9% при сохранении точности.

Во втором способе для материалов с неизвестными значениями λ установившийся тепловой режим определяют в результате сравнения температур после подачи (i-1)-го и i-го импульсов снимаемой термограммы в процессе измерения ТФСМ по разности среднеинтегральных температур, измеряемых двумя термобатареями (ТБμ, μ=1, 2). Эта разность оценивается по формуле

где x_jТБμ - расстояние от нагревателя до j-го термодатчика μ-й термобатареи.

Тепловой режим считается установившимся, когда разность будет меньше некоторого задаваемого числа α. От величины α зависит погрешность измерения ТФСМ. Значение α устанавливается экспериментальным путем. Для приведенных на фиг.2 термограмм определена зависимость α=f(λ), полученная из условия обеспечения погрешности при измерении λ не более 5% (см. фиг.7). Из данного графика следует, что чем больше теплопроводность, тем меньше должно быть α.

В ходе реальных измерений для определения α при возможных воздействиях дестабилизирующих факторов решается задача идентификации измерительной ситуации с использованием аппарата нечеткой логики. Применение искусственного интеллекта в предлагаемом методе позволяет выбрать α из интервала [0,1; 2]°С и обеспечить определение λ с прогнозируемой погрешностью до 5%. Выполнение неравенства свидетельствует об установившемся тепловом режиме в плоскости контакта ИО и ИИЗ и прекращении подачи тепловых импульсов.

Измерительная процедура во втором способе заключается в подаче тепловых импульсов заданной частоты и мощности на ИО, сравнении в процессе измерения значений , и контроле выполнения неравенства .

Перед проведением очередного измерения термозонд помещается на вспомогательный образец из материала, близкого по теплофизическим свойствам к материалу подложки термозонда. Как указано в термозонде-прототипе, тепловое равновесие в системе «Термозонд-ИО», характеризующееся температурой усреднения, наступает за разные промежутки времени τ_уср в зависимости от теплопроводности материала подложки термозонда. В предлагаемом способе на основе полученных экспериментальных и аппроксимирующих зависимостей времени достижения теплового равновесия τ_уср от λ для теплоизоляционных и строительных материалов, которые приведены на фиг.8, применяется интеллектуальная процедура, позволяющая выбрать оптимальное τ^* _уср из заданного диапазона (50-150) с для материала подложки, указанного в априорной информации, занесенной в БЗ.

Результаты экспериментальных исследований по определению теплофизических свойств ряда материалов с помощью предлагаемого способа НК ТФСМ приведены в табл.1. Из анализа погрешностей измерений следует, что относительная погрешность измерений составляет не более 5% и находится в допустимых для исследуемых материалов пределах.

Таблица 1. Теплофизические свойства, параметры теплофизических измерений (τ* уст, τ* уср, α*, n*) и погрешности измерения теплоизоляционных и строительных материалов
№ п/п	Исследуемые материалы	Эталонные значения	Измеренные значения	τ* уст, с	τ* уср, с	n*	α, °С	Относительная погрешность измерения
а·10-7 м2/с	λ, Вт/м·К	а·10-7 м2/с	λ, Вт/м·К	δа, %	δλ, %
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1	Рипор	4,61	0,028	4,78	0,029	140	130	26	2,00	3,69	3,57
2	Пенопласт	5,12	0,034	5,33	0,035	130	120	24	1,81	4,10	2,94
3	Минвата	3,74	0,052	3,92	0,054	120	105	22	1,33	4,81	3,85
4	Войлок	3,98	0,07	4,15	0,073	110	95	20	1,08	4,27	4,28
5	Линолеум	5,17	0,08	5,43	0,084	100	90	19	0,94	5,00	5,00
6	ПММ	1,09	0,195	1,14	0,202	90	70	17	0,42	4,59	3,59
7	Бетон	1,22	0,32	1,27	0,33	80	65	15	0,28	4,10	3,12

Таким образом, применение предлагаемого способа НК ТФСМ позволяет в (1,1-2) раза повысить оперативность определения ТФСМ с прогнозируемой точностью измерений до 5%. Этот результат достигнут применением процедуры искусственного интеллекта для выбора способа определения ТФСМ в зависимости от измерительной ситуации, решения задачи минимизации функционала, комплексно учитывающего потери точности и оперативности, определения оптимального количества тепловых импульсов, подаваемых на ИО, выбор оптимальных параметров теплофизических измерений (τ^* _уст, τ^* _уср, α^*, n^*) по тестовой программе с использованием полученных расчетно-экспериментальных зависимостей τ_уст.=f(λ), α=f(λ),τ^* _уср.=f(λ).

1. Способ неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и изделий, заключающийся в тепловом воздействии линейным нагревателем термозонда на поверхность исследуемого объекта и регистрации температурно-временных характеристик поверхности, определении момента усреднения температуры по объему подложки термозонда при помещении его на вспомогательный образец перед началом теплофизического измерения, отличающийся тем, что регистрируют предварительную тестовую термограмму, по которой оценивают теплопроводность исследуемого объекта или разность среднеинтегральных температур после подачи (i-1)-го и i-го импульсов снимаемой термограммы, при этом фиксируют τ*_уст - время достижения установившегося теплового режима в области термозонда и объекта, определяют n* - оптимальное количество тепловых импульсов, подаваемых на исследуемый объект до наступления установившегося теплового режима, выбирают τ*_уср - оптимальный промежуток времени усреднения температуры по объему подложки термозонда и с помощью полученных параметров теплофизических измерений τ*_уст, n*, τ*_уср проводят измерения по определению теплофизических свойств материалов с прогнозируемой погрешностью.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при оценке разности среднеинтегральных температур ΔТ _ср используют неравенство ΔT _cp(i)≤α, где величина α установлена экспериментально из условия обеспечения погрешности при измерении λ не более 5%.