Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

метод и реализующее его устройство бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и готовых изделий

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Чернышов Александр Витальевич

Тамбов 2008

Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом университете на кафедре «Криминалистика и информатизация правовой деятельности»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Чернышов Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Беляев Павел Серафимович

кандидат технических наук, доцент

Суслин Михаил Алексеевич

Ведущая организация ОАО НИИ электроизмерительных приборов «Электромера», г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится 30 октября 2008 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.01 Тамбовского государственного технического университета по адресу: г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, Большой зал.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю совета Д 212.260.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тамбовского государственного технического университета.

Автореферат разослан 30 сентября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.А. Чуриков

Подписано к печати 26.09. 2008

Формат 60 84/16. 0,93 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 420

Издательско-полиграфический центр ТГТУ

392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 в 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 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 же 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 контролю и технической диагностике" (РОНКТД).

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основе 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 области 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), XII-XIII 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 105 страницах машинописного текста, 21 рисунок, 11 таблиц, список литературы включает 74 наименования.

Автор благодарит кандидата технических наук, доцента Э.В. Сысоева за консультации при работе над диссертацией.

Содержание диссертации

бесконтактный неразрушающий контроль теплофизический

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показана ее связь с приоритетными направлениями науки и техники, сформулированы цели и задачи работы. Раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены результаты апробации и реализации работы.

В первой главе диссертации проведен обзор и анализ существующих методов и измерительных средств бесконтактного НК ТФС материалов и изделий. Проведенный сравнительный анализ показал, что для контроля качества материалов и готовой продукции перспективными являются бесконтактные нестационарные и квазистационарные методы и реализующие их средства, позволяющие оперативно контролировать необходимые ТФС без нарушения целостности и эксплуатационных свойств исследуемых объектов. При этом существующие методы и средства обладают рядом серьезных недостатков, главными из которых являются невысокая точность, обусловленная отсутствием учета влияния тепловых потерь с поверхности исследуемых изделий в окружающую среду, а также влиянием состояния поверхности, ее степени черноты на результаты измерений.

В результате проведенного анализа определены цели и задачи исследования.

Во второй главе представлен разработанный метод неразрушающего контроля твердых материалов и готовых изделий, сущность которого заключается в следующем.

Над исследуемым изделием 1 помещают точечный источник тепловой энергии 2 (лазер) и три термоприемника 3, 4, 5, сфокусированных на поверхность, подвергаемой тепловому воздействию (рис. 1). Перемещение термоприемников 4, 5 осуществляется по оси x, термоприемника 3 - по параллельной ей прямой А. Регулирование величины теплового воздействия на поверхность исследуемого образца осуществляется оптическим затвором 7, который осуществляет частотно-импульсную модуляцию лазерного луча.

Вначале термоприемником 4 измеряют температуру имитатора «абсолютно черного тела» (АЧТ) 6. Затем термоприемником 4 измеряют температуру исследуемого образца. В результате этого, используя отношение температуры, измеренной термоприемником на поверхности объекта, к температуре, измеренной термоприемником на имитаторе АЧТ, определяется коэффициент k, учитывающий значения степени черноты поверхности исследуемого образца и прозрачности окружающей среды, разделяющей поверхность исследуемого образца и измерительную головку.

После этого начинают воздействие источником тепловой энергии на исследуемый образец с минимальной частотой Fmin тепловых импульсов и в интервале между ними измеряют температуру термоприемником 5, сфокусированным в точку нагрева, далее, увеличивая частоту импульсов, определяют частоту Fmax, при которой избыточная температура исследуемого объекта была на 10 - 20% ниже температуры термодеструкции материала



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Схема расположения источника тепла и термоприемников при бесконтактном определении ТФС твердых материалов и готовых изделий

Далее включают источник энергии и оптический затвор с начальной минимальной частотой Fmin модуляции лазерного луча и начинают перемещение измерительной головки, содержащей источник тепла и термоприемники, над исследуемым изделием с постоянной скоростью V, величина которой берется такой, чтобы при выбранной частоте Fmin в точке контроля R1 появлялась избыточная температура T(R1), уровень которой выше порога чувствительности о термоприемника.

Затем постепенно увеличивают частоту F прерывания лазерного луча до тех пор, пока измеряемая в точке контроля R1 избыточная температура ТR1(Fi) станет равной заданному значению температуры Тзад, которая равна 25 - 30% от температуры термодеструкции материала.

При этом измеряют значение частоты F1 и значение избыточной температуры Т(R2) в точке контроля, расположенной на расстоянии R2 от центра пятна нагрева. Затем фокусируют термоприемники 3, 4, 5 в центр пятна нагрева 0 и начинают их перемещение. Причем термоприемник 4 перемещают по оси x в сторону отставания от источника тепла 2; термоприемник 3 - по оси y; термоприемник 5 - по оси x в сторону опережения источника тепла 2.

При движении термоприемниками 3, 4 и 5 фиксируют избыточную температуру поверхности TF1(x)i и TF1(y)j соответственно по осям x и y. Перемещение осуществляют до тех пор, пока избыточная температура, измеренная термоприемниками 3, 4 и 5, не станет меньше или равной чувствительности измерительной аппаратуры о. При этом фиксируют расстояния R1x1, R2x1, R3y1 (рис. 2). После этого термоприемники возвращают в исходное положение.

Затем, увеличив заданное значение избыточной температуры Тзад в два раза, повторяют вышеописанные процедуры измерения. В результате определяют значение параметра F2, при котором выполняется вышеуказанное соотношение контролируемых избыточных температур, избыточные температуры поверхности TF2(x)i и TF2(y)j соответственно по осям x и y, а также расстояния R1x2, R2x2, R3y2. А искомые теплофизические свойства определяют по зависимостям, полученным на основании следующих рассуждений.

В процессе бесконтактного теплового воздействия на поверхность исследуемого объекта от подвижного источника тепла с нее в окружающую среду происходят тепловые потери. Эти потери происходят за счет неполного поглощения тепловой энергии источника тепла поверхностью исследуемого объекта, а также вследствие конвективного и лучистого теплообмена поверхности исследуемого тела с окружающей средой. Кроме того, часть тепла поглощается окружающей средой при прохождении через нее излучения от источника тепла до объекта исследования в результате молекулярного поглощения и рассеяния на частицах пыли и воды, содержащихся в окружающей среде (атмосфере).

В работах Чернышова В.Н., Сысоева Э.В. показано, что распределение температуры в полубесконечном в тепловом отношении теле при действии на него подвижного точечного источника тепла с учетом тепловых потерь с поверхности тела в окружающую среду определяется следующей зависимостью:

, (1)

где - коэффициент излучения поверхности нагретого тела (степень черноты); - прозрачность окружающей среды; qит - мощность точечного источника тепла, [Вт]; qк - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного теплообмена, [Вт]; qл - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет лучистого теплообмена, [Вт]; a и - коэффициенты соответственно температуропроводности и теплопроводности исследуемого объекта, [м2/с] и [Вт/м2К]; V - скорость движения источника тепла относительно исследуемого тела, [м/с]; R - расстояние между центром пятна нагрева и точкой измерения температуры; x - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки, расположенной на расстоянии R от него, на линию движения источника тепла, [м].

На основании выражения (1) измеряемое значение избыточной предельной температуры в точке, перемещающейся вслед за источником тепла по линии его движения и отстающей от него на расстоянии R1 при частоте следования тепловых импульсов F1, будет определяться следующей зависимостью:

, (2)

где R1 - расстояние между центром пятна нагрева и точкой измерения температуры, [м]; qк1 - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного теплообмена при частоте следования тепловых импульсов F1, [Вт]; qл1 - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет лучистого теплообмена при частоте следования тепловых импульсов F1, [Вт]; k = - коэффициент, учитывающий значения степени черноты поверхности исследуемого образца и прозрачности окружающей среды, разделяющей поверхность исследуемого образца и измерительную головку; F1 - частота следования тепловых импульсов от источника тепла (лазера), [Гц]; имп - длительность одного теплового импульса, [с].

При нагреве поверхности исследуемого тела подвижным точечным источником энергии избыточная предельная температура в точке, перемещающейся со скоростью источника V и находящейся на расстоянии R2 от него, определяется зависимостью:

, (3)

где x2 - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки, расположенной на расстоянии R2 от него, на линию движения источника тепла, [м].

Так как из условия эксперимента ТF1(R1)=Тзад, то после несложных математических преобразований выражений (2) и (3), получают формулу для расчета температуропроводности в следующем виде:

, (4)

При увеличении частоты следования тепловых импульсов источника тепла с F1 до F2 мощность теплового воздействия на исследуемый объект увеличивается в n=F2/F1 раз. Значение избыточной предельной температуры в точке R1 при частоте следования тепловых импульсов источника тепла F2 будет определяться следующей зависимостью:

, (5)

где qк2 - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного теплообмена при частоте следования тепловых импульсов F2, [Вт]; qл2 - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет лучистого теплообмена при частоте следования тепловых импульсов F2, [Вт]; F2 - частота следования тепловых импульсов от источника тепла (лазера), [Гц]; имп - длительность одного теплового импульса, [с].

В работе показано как изменяются тепловые потери за счет конвективного qк и лучистого qл теплообмена. Установлено, что при увеличении мощности теплового воздействия qит в n раз по сравнению с начальной мощностью, определяем, что потери за счет конвективного и лучистого теплообмена зависят от площади теплоотдающей поверхности и от значений удельных тепловых потоков конвективного и лучистого теплообмена.

Граница температурного поля на поверхности исследуемого объекта представляет собой изотерму, имеющую форму неправильного эллипса, состоящего из двух правильных полуэллипсов (рис. 2). Поэтому площадь теплоотдающей поверхности определяется по формуле: S =S1+S2, где S1, S2 - площади полуэлипсов граничной изотермы температурного поля.

Таким образом, при увеличении мощности теплового воздействия в n раз площадь теплоотдающей поверхности исследуемого объекта увеличивается в SF2/SF1, где SF1 и SF2 - площади теплоотдающей поверхности при частоте следования тепловых импульсов соответственно F1 и F2.

S1=0,5?р? R1x • R3y, (6)

S2=0,5?р? R3y • R2x, (7)

S = 0,5•р• R3y(R1x + R2x), (8)

Проанализировав, как изменяются удельные тепловые потоки конвективного и лучистого теплообмена при увеличении мощности теплового воздействия в n раз было установлено что, при увеличении мощности источника qит в n раз по сравнению с начальной мощностью qит потери тепловой мощности за счет конвективного и лучистого теплообмена увеличиваются в раз, где и - средние избыточные температуры поверхности нагретого тела при частоте следования тепловых импульсов соответственно F1 и F2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 - Температурные поля в исследуемом изделии при воздействии точечного подвижного источника тепла

С учетом вышеизложенного выражение (5) можно записать в следующем виде:

, (9)

а выражение (2) в виде:

, (10)

В условиях отсутствия априорной информации о значениях коэффициента излучения поверхности исследуемого образца и прозрачности окружающей среды этими параметрами обычно пренебрегают. Поэтому значение измеренной термоприемником температуры T на поверхности исследуемого объекта оказывается заниженным.

Для устранения этого недостатка и повышения точности результатов измерения вводится поправочный коэффициент k, для нахождения которого используется имитатор АЧТ который представляет собой замкнутую область с небольшим отверстием для выхода излучения, степень черноты которого равна 1.

Перед началом теплового воздействия на исследуемый объект можно считать, что его температура практически равна температуре окружающей среды, а следовательно и температуре имитатора АЧТ. Таким образом, зная вид функции f(T) используемого термоприемника и температуру АЧТ можно определить коэффициент k, по следующему выражению:

k = f(T)/ f(Tачт), (11)

где T - где температура на поверхности исследуемого объекта, измеренная термоприемником; Tачт - где температура имитатора АЧТ, измеренная этим же термоприемником.

С учетом вышесказанного и принимая во внимание условие равенства TF2(R1)=2Тзад, получена формула для расчета теплопроводности в следующем виде:

, (12)

где средние избыточные температуры и определяют исходя из показаний термоприемников 3, 4 и 5 по следующим выражениям:

, (13)

. (14)

Таким образом, определив коэффициент k, частоты F1 и F2 следования тепловых импульсов, избыточную температуру T(R2) и радиусы R1x, R2x, R3y, определяющие площадь теплоотдающей поверхности при частотах F1 и F2, средние избыточные температуры поверхности нагретого тела при тех же частотах F1 и F2, а так же зная длительность имп одного теплового импульса и мощность qит источника тепла, скорость V его движения над поверхностью исследуемого тела, по формулам (4) и (12) определяются искомые теплофизические свойства.

В третьей главе дано описание микропроцессорной системы, реализующей разработанный метод НК ТФС твердых материалов, схема которой представлена на рисунке 3.

Основным блоком разработанной ИИС является микропроцессорный контроллер 8 с цифровым индикатором 9 и клавиатурой 10. К микропроцессорному контроллеру 8 через его порты (адаптеры ввода-вывода) подключены также оптический затвор 7 источника тепла, датчик положения 11, 12, 13 термоприемника 3, 4, 5 соответственно относительно точечного источника тепла 2, управляющий вход электронного ключа 19, информационный вход которого подключен к выходу термоприемника 4, а выход ключа соединен с первым входом вычитающего устройства 20. Второй вход вычитающего устройства 20 соединен с выходами термоприемников 3 и 5, а выход вычитающего устройства через усилитель мощности 21 подключен к цепи питания реверсивным двигателем 22, выход которого в свою очередь соединен с механизмом перемещения 23 термоприемника 4 относительно теплового источника 2 по оси х.

Перемещение всего информационного зонда ИИС, включающей точечный источник тепла 2 и термоприемники 3, 4, 5, над поверхностью исследуемых изделий с заданной скоростью v осуществляется двигателем постоянного тока 16 через механизм перемещения 17, который кинематически связан с измерительным зондом. Управление работой двигателя 16 осуществляется микропроцессорным контроллером 5 через блок питания 15 и блок управления двигателем 14.

Работа измерительной системы осуществляется следующим образом. Вначале ИИС с клавиатуры 9 приводится в исходное состояние, при котором электронный ключ 19 закрыт, источник питания 18 лазера и источник питания 16 двигателя 16 перемещения измерительного зонда системы выключены. Затем по команде с микропроцессорного контроллера 8 термоприемником 4 измеряется температура АЧТ 6 исследуемого образца 1 и данные записываются в ОЗУ микропроцессорного контроллера.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 - Микропроцессорная система бесконтактного НК ТФС твердых материалов и готовых изделий

Далее включают источник питания лазера 18 и оптический затвор 7 с начальной минимальной частотой Fmin модуляции лазерного луча и начинают перемещение измерительной головки над исследуемым изделием с постоянной скоростью V, величина которой берется такой, чтобы при выбранной частоте Fmin в точке контроля R1 появлялась избыточная температура T(R1), уровень которой выше чувствительности термоприемника о. Затем постепенно увеличивают частоту F прерывания лазерного луча.

Изменение частоты F подачи тепловых импульсов от источника тепла осуществляют до тех пор, пока измеряемая в точке контроля R1 избыточная температура ТR1(Fi) станет равной заданному значению температуры Тзад.

При этом измеряют значение частоты F1 и значение избыточной температуры Т(R2) в точке контроля, расположенной на расстоянии R2 от центра пятна нагрева.

Затем фокусируют термоприемники 3, 4, 5 в центр пятна нагрева 0 и начинают их перемещение с помощью механизма перемещения 23. Причем термоприемник 4 перемещают по оси x в сторону отставания от источника тепла 2; термоприемник 3 - по оси y; термоприемник 5 - по оси x в сторону опережения источника тепла 2.

При движении термоприемниками 3, 4 и 5 через заданное расстояние ? фиксируют избыточную температуру поверхности TF1(x)i и TF1(y)j соответственно по осям x и y. Перемещение осуществляют до тех пор, пока избыточная температура, измеренная термоприемниками 3, 4 и 5, не станет меньше или равной чувствительности измерительной аппаратуры о. При этом датчиками положения 11, 12, 13 фиксируют расстояния R1x1, R2x1, R3y1. После этого механизм перемещения 23 возвращает термоприемники в исходное положение.

Затем по команде с микропроцессорного контроллера 8 увеличивается значение заданной температуры Тзад в два раза и повторяется по вышеописанному алгоритму работа соответствующих блоков ИИС.

Полученные значения ТФС хранятся в ПЗУ микропроцессорного контроллера 8 и могут быть вызваны в любое время после окончания теплофизического эксперимента на цифровой индикатор 9 оператором с клавиатуры 10.

Основным преимуществом разработанной микропроцессорной ИИС бесконтактного НК ТФС перед известными системами данного назначения является адаптивное введение поправочного коэффициента, учитывающего влияние степени черноты исследуемого образца и прозрачности окружающей среды, а также определение размера геометрических размеров области нагрева поверхности исследуемых изделий, что позволяет более точно определить во сколько раз увеличились потери тепла в окружающую среду при увеличении мощности теплового воздействия от точечного источника тепла.

Проведенная экспериментальная проверка показала, что предложенное техническое решение по сравнению с известными методами позволило на 3-5% повысить точность результатов измерения.

В четвертой главе проведен анализ погрешности результатов измерений по разработанному методу НК ТФС твердых материалов на базе аналитических соотношений, полученных с использованием математических моделей измерительных процедур, объектов измерений и условий измерений. Для предложенного метода контроля ТФС получены структуры полной погрешности измерений, 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 погрешности, а также коррекции результатов измерений.

В заключительном разделе этой главы приведены результаты экспериментальных исследований разработанного метода и микропроцессорной системы НК ТФС твердых материалов и готовых изделий на основе метрологического эксперимента. Проведенные экспериметальные исследования разработанного метода и устройства НК ТФС твердых материалов подтвердили корректность основных теоретических выводов, положенных в основу создания этого средства контроля, а также эффективность его практического применения в области теплофизических измерений и технической диагностики.

В приложениях приведены компьютерные программы, результаты выделений доминант при анализе погрешностей на аналитической основе и на основе метрологического эксперимента, экспериментальные данные и акты о внедрении результатов работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Проведенный информационный анализ показал, что во многих отраслях промышленности, таких как машиностроение, теплоэнергетика и т.д. требуется определять теплофизические свойства твердых материалов и готовых изделий без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик. Наиболее перспективными с точки зрения оперативности, достоверности и информативности являются тепловые методы и средства бесконтактного НК ТФС, которые позволяют осуществлять контроль ТФС материалов и готовых изделий без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик. Поэтому разработка новых бесконтактных методов и средств неразрушающего контроля ТФС является актуальной задачей теплофизических измерений и технической диагностики.

2. На основе моделей, описывающих тепловые процессы в исследуемых объектах при бесконтактном тепловом воздействии от подвижного точечного источника тепла, разработан новый бесконтактный метод НК 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 площади области нагрева поверхности исследуемых изделий, что позволяет более достоверно, 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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 передана в промышленное использование.

Основные результаты диссертации

1. 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.

2. Пат. 2007121040 Российская Федерация, С2, G 01 N 25/18. Способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов / Чернышов В. Н.; Чернышов А.В., Сысоев Э.В.; заявитель и патентообладатель Тамбовский государственный технический университет. - заявл. 04.06.2007; опубл. 16.05.2008;

3. 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

4. Чернышов А. В., Сысоев Э. В. Метод бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов // Фундаментальные и прикладные исследования, инновационные технологии, профессиональное образование: сб. трудов XII науч. конф. ТГТУ. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. С. 84-88

5. Чернышов А. В., Сысоев Э. В. Метод бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов // Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством: Материалы шестой международной теплофизической школы: В 2 ч. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. Ч. 1. С. 241-243

Размещено на Allbest.ru