Метод и информационно-измерительная система неразрушающего контроля тешюфизических свойств многослойных теплозащитных покрытий и изделий Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.2:536.6

МЕТОД И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МНОГОСЛОЙНЫХ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ И ИЗДЕЛИЙ

О А.В. Чернышов, Г.Н. Иванов

Chernyshov A.V., Ivanov G.N. Adaptive method and measuring system of non-destructive control of thermal physical properties of multilayer heat-shielding membranes. The authors offer the method of not-destructive control of thermal physical properties of multilayer (three-layer) heat-shielding membranes and designs and information-measuring system of its realization. The method consists in the combined thermal exposure on the objects under study by a contactless dot source of heat and a contact disk heater with the subsequent control of temperature fields and thermal streams in the given points of a diagnosed products surface. Theoretical basis of a method is mathematical description of thermal processes in a three-layer product for the specified kinds of thermal exposure. Distinctive feature of the method and measuring system of its realization is adaptation of power parameters of thermal experiment providing a full guarantee of integrity preservation of objects under study with high accuracy and reliability of received results.

Совершенствование и развитие наиболее важнейших и ответственных отраслей техники, таких как ракетостроение, космическое аппаратостроение, атомная энергетика, теплотехника и т. д., требуют создания новых высокопрочных теплозащитных покрытий (оболочек), т. к. тепловые режимы при эксплуатации таких объектов строго регламентируются.

Наиболее эффективно эта проблема решается с использованием многослойных конструкций защитных покрытий, в которых одни слои обеспечивают прочность, а другие - тепловую защиту. При разработке, испытании и эксплуатации таких многослойных теплозащитных покрытий необходимо иметь информацию о теплофизических свойствах (ТФС) как отдельных слоев, так и всей конструкции защитной оболочки в целом, т. к. ТФС в этом случае являются параметрами, определяющими надежность, работоспособность, а в итоге и качество готовых изделий этих отраслей техники. Поэтому получение оперативной и достоверной информации о теплофизических параметрах многослойных теплозащитных покрытий становится уже необходимым условием как при создании, так и эксплуатации этих ответственных изделий.

Для решения этой задачи наиболее перспективными с точки зрения оперативности, достоверности, точности и информативности являются тепловые методы и средства неразрушающего контроля (НК) ТФС [1, 2], которые позволяют осуществлять контроль теплофизических характеристик материалов и изделий без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик. Поэтому разработка новых методов и средств НК ТФС, позволяющих контролировать теплозащитные свойства многослойных материалов и конструкций с необходимой для теплофизических измерений точностью, является актуальной задачей во многих важнейших отраслях современной техники.

Разработан адаптивный по энергетическим параметрам метод неразрушающего контроля многослойных (трехслойных) теплозащитных покрытий и изделий, сущность которого заключается в следующем [3].

Для определения ТФС наружных слоев конструкции 1 над ними помещают точечный источник тепловой энергии 2 (лазер) и термоприемники 3 и 4 (рис. 1), один из которых сфокусирован в точку теплового воздействия источника, а другой - в точку поверхности этого слоя, находящуюся от центра пятна нагрева на расстоянии д: = /г|. равном толщине первого слоя конструкции.

Далее начинают перемещение источника энергии 2 и термоприемников 3 и 4 над исследуемым изделием I со скоростью V. При этом осуществляют широтноимпульсную модуляцию лазерного луча, прерывая его фотозатвором 5 и изменяя при этом мощность тепловых импульсов, наносимых на поверхность исследуемого тела (см. рис. 26).

Увеличение мощности тепловых импульсов (2, осуществляют до тех пор, пока в точке поверхности х = к] появится избыточная температура, равная 0,1 -5- 0,2 К. При этом термоприемником 4, сфокусированным в центр пятна нагрева источника, измеряют в паузах между тепловыми импульсами избыточную температуру поверхности слоя, исключая тем самым прямое попадание на термоприемник (инфракрасный первичный преобразователь температуры) части энергии лазерного луча, отраженного от поверхности исследуемого слоя.

Контролируемую температуру центра пятна нагрева постоянно сравнивают с температурой термодеструкции 7'тер„ исследуемого материала, и если температура нагрева приблизится к величине, равной (0,8-0,9) 7’терм, а в точке х = к\ еще нет избыточной температуры, то увеличение мощности импульсов ()1 прекращается, тем самым фиксируется верхний предел мощности импульсов источника (Зтах.

Рис. 1. Схема расположения источника тепла и термоприемников при определении ТФС наружных слоев трехслойной конструкции

»

»*'

Рис. 2. Термограммы нагрева и вид теплового воздействия при адаптивном изменении мощности тепловых импульсов, воздействующих на исследуемый объект

Если же в точке х /¡| появилась избыточная температура 0,1-0.2 К, то на этом увеличение мощности прекращается, т. е. устанавливается максимально возможная мощность 0„ш. при которой на тепловой процесс в исследуемом слое не влияют ТФС внутреннего слоя изделия. При этом избыточная температура в центре пятна лазерного источника может быть и ниже значения (0.8-0.9) 7'гфч.

Определив верхний допустимый предел мощности тепловых импульсов 0тах, фокусируют термоприемник 3 в точку поверхности первого наружного слоя исследуемого объекта, находящуюся на расстоянии Я} от центра пятна нагрева лазера (см. рис. 1) и начинают перемещение источника энергии и термоприемника над исследуемым изделием СО скоростью V. Расстояние Я] задают меньше величины къ например, можно задать Л, = А,/2.

Затем увеличивают мощность тепловых импульсов, начиная с , но не вышенайденного (?тах, в соответствии с зависимостью:

(?имп - йпт + -

Ад1 = к2АГ1+~]1тшаА-т(т1)}к,

з т,

(1)

(2)

где АТ, = 7',ад| - 7(т,) - разность между наперед заданной температурой и текущей избыточной температурой в точке контроля Т(т,) в моменты времени:

х,=КААТ,_х +т0

где То - минимальный интервал времени определения разности АТ,, который задается в диапазоне от 1 до 3 с; К2, К), Кл - коэффициенты пропорциональности, причем К2 задается в диапазоне от 0,2 до 5, К3 — от 10 до 50, К^ - от 0,1 до 5; для материалов с большой теплопроводностью значение К^ целесообразно брать > 1, а для теп-лоизолятора - < 1, т. к. в первом случае термограмма нагрева изменяется динамичнее, и для определения равенства установившейся температуры заданному значению необходимо чаще определять АТ,.

Определяют такую мощность импульсов при которой установившееся значение избыточной температуры в точке контроля станет равным наперед заданному значению 7"мд] (см. рис. 2а).

Затем еще увеличивают мощность тепловых импульсов в соответствии с зависимостями (1) и (2) до тех пор, пока установившееся значение избыточной температуры в точке контроля станет равным второму наперед заданному значению Гзад2, которое на 10-15 % превышает значение Гзад!, и определяют мощность тепловых импульсов (¿л (см. рис. 2а). По найденным значениям мощностей Ох, и (¡)х2 рассчитываются искомые теплофизические характеристики исследуемого материала по формулам, полученным на основании следующих рассуждений.

Известно [4], что уравнение квазистационарного состояния процесса распространения теплоты точечного источника постоянной мощности д, движущегося с постоянной скоростью V над поверхностью полубеско-нечного в тепловом отношении тела, имеет следующий

т(и,х) =

2п-Х-Я

ехр

(3)

где Т(Я, х) - температура в рассматриваемой точке Я (рис. 1); X - коэффициент теплопроводности тела, Вт/(м-К); а - коэффициент температуропроводности

тела, м/с;

Я=^х2+у2

расстояние от точечного

источника тепла мощностью ц до точки поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела с координатами (х, у).

В соответствии с изложенным выше алгоритмом измерений, используя соотношение (3), значения избыточных температур в точках контроля Ях и Я2 можно записать в виде:

Ф,) =

^имп&с! , _

2п ■ X ■ _/? г I 2а

(2x2

-------—- ехр| -

2 71 * А, • /?2 I 2 а

2а

у(/г2-х2)

(4)

(5)

где Г„„„ - частота тепловых импульсов от источника тепла; ()х2 - мощности тепловых импульсов источника тепла, соответственно при контроле избыточных температур в точках поверхности на расстоянии Я\ и Я2 от пятна источника тепла.

После несложных математических преобразований системы уравнений (4) и (5), получим формулу для определения коэффициента температуропроводности исследуемого материала в виде:

_ Г[(Я1-Я2)-(х1-х2)

-Т[Я2)

Q!cг■R\■т{щ)

(6)

21п

Коэффициент теплопроводности определяют по формуле, полученной при подстановке выражения (6) в (4) и имеющей вид:

А. = -

О

\\МПхСХ

271 Г(Я,)- Я

ехр -

2 а

(7)

Для определения ТФС второго наружного слоя конструкции измерительный зонд (лазер и термоприемник) фокусируют на поверхность второго слоя, осуществляют вышеизложенные измерительные процедуры и, определив мощности импульсов Q х\ к Q х2, по соотношениям (3) рассчитывают искомые ТФС второго наружного слоя трехслойной конструкции (оболочки).

Для определения ТФС материалов внутреннего слоя конструкции на каждую из наружных поверхностей полубесконечной в тепловом отношении трехслойной конструкции (рис. 3) устанавливаются по одному зонду, в плоскости контакта первого из которых расположены дисковый нагреватель ДН, а также термопара Тп\, помещенная в центр контактной плоскости дискового нагревателя. В плоскости контакта второго термозонда расположены датчик теплового потока Tq, а в центре круга датчика теплового потока вмонтирована вторая термопара Тп2. Нагреватель и термопары

как первого, так и второго зондов закрыты по внешней от контактной плоскости стороне теплоизоляционным материалом типа рипора или асбеста, обеспечивая направленное движение тепловых потоков на наружную поверхность конструкции и препятствуя теплообмену в других направлениях, тем самым обеспечивая реализацию адиабатического режима нагрева.

При определении ТФС материалов внутреннего слоя конструкции включают дисковый нагреватель ДН и осуществляют подвод к поверхности конструкции удельного теплового потока через круг до тех пор, пока на противоположной поверхности конструкции появится тепловой поток. Измеряют при этом величину установившегося теплового потока Qx3, а также температуру в плоскостях 1 и 4 (рис. 3) с помощью термопар Тщ и 7и2.

Перепад температур на первом слое конструкции в соответствии с [5] определяется как

ат = т1-т2 = Ях^-.

(8)

Отсюда температура в плоскости 2 (рис. 3) определяется из соотношения

^2 ~~ Т\ - цх

А.,

(9)

По аналогии с (8) температура в плоскости 3 (рис. 3) определяется из соотношения

т т Т гг , ^з

73 - 74 =<7*Т-’Т-е- ТЪ = Т4+ЯхТ--

'Ч

(10)

Используя выражения (9) и (10), перепад температуры на внутреннем слое конструкции определяется выражением

Тг-Тъ ~ Ях

(П)

Из выражения (11) искомый коэффициент теплопроводности внутреннего слоя конструкции определяется по соотношению

х2 -

Чхп2 _

(Т2-Т3)

Ях^2

т\~Ях

7\-цх

(12)

Для определения коэффициента температуропроводности внутреннего слоя конструкции используем аналитическое решение [6], описывающее распределение температуры по толщине /г2 слоя материала и во времени т при использовании модели полупространства и имеющей вид:

Т2-Тъ = АТ(Иът) =

К

/ъ

). (13)

Имея информацию о X и дх и используя известные подробные таблицы для определения функции кратного интеграла вероятности гег/с г, численным методом из выражения (13) легко определить искомый коэффициент температуропроводности а2.

Рис. 3. Схема расположения источника тепла и термоприемников при определении ТФС внутреннего слоя трехслойной конструкции

Таким образом, имея информацию об установившейся мощности тепловых импульсов точечного линейного источника тепла (лазера) и измерив температуру в заданных точках поверхности исследуемого изделия, по соотношениям (6) и (7) определяем ТФС наружных слоев конструкции, а измерив тепловой поток на противоположной от дискового нагревателя стороне изделия и температуры на обеих внешних сто-

ронах конструкции при действии дискового нагревателя, по соотношениям (12) и (13) определяют ТФС внутреннего слоя конструкции.

Для реализации разработанного адаптивного метода НК ТФС трехслойных изделий разработана микропроцессорная информационно-измерительная система (ИИС) [2], схема которой представлена на рис. 4.

Рис. 4. Микропроцессорная система НК ТФС трехслойных изделий, реализующая разработанный метод контроля

Основным блоком разработанной ИИС является микропроцессорный контроллер МПК, включающий в себя системный контроллер СК, процессор Пр, постоянное запоминающее устройство ПЗУ, оперативное запоминающее устройство ОЗУ, дешифратор адресов ДА, адаптеры ввода-вывода АВВ-1, АВВ-2, аналого-цифровые преобразователи АЦП-1, АЦП-2, цифровой индикатор ЦИ и тактирующий генератор ТГ. Измерительная система имеет два основных канала, по первому из которых поступает измерительная информация с зонда 1 и зонда 2, а по второму - информация с измерительной головки, сканирующей над поверхностью исследуемых слоев трехслойного изделия. Первый канал системы реализует контактный метод НК ТФС внутреннего слоя исследуемой трехслойной системы, а второй канал - бесконтактный метод НК ТФС наружных слоев исследуемых трехслойных объектов.

Алгоритмическое и программное обеспечение созданной ИИС разработаны в соответствии с описанным выше методом НК ТФС трехслойных изделий. Система имеет два канала, по одному из которых поступает информация с контактного измерительного зонда, позволяющая в микропроцессоре рассчитать ТФС внутреннего слоя исследуемой трехслойной системы, а измерительная информация второго канала, поступающая с измерительной головки, сканирующей над поверхностью наружных слоев изделия, используется для определения ТФС этих слоев. Поскольку измерительная информация в процессе эксперимента поступает в микропроцессор по обоим каналам одновременно, то это существенно (почти в два раза) повышает оперативность определения искомых ТФС трехслойных изделий. В разработанной системе алгоритмы определения ТФС наружных слоев содержат адаптивные измерительные процедуры, позволяющие в процессе измерений установить такие энергетические и пространст-

венные параметры теплофизического эксперимента, при которых обеспечивается высокая точность и достоверность получаемых результатов.

Для проверки работоспособности предложенного метода и реализующей его ИИС были проведены эксперименты на трехслойных изделиях, слои которых изготовлялись из материалов с хорошо изученными и постоянными ТФС (рипор, полиметилметакрилат, кварц и т. д.). Погрешность определения ТФС исследуемых слоев трехслойных изделий при этом не превышала 5-7%. Экспериментальная проверка показала корректность основных теоретических выводов, положенных в основу предложенного метода неразрушающего контроля ТФС материалов, и позволяет сделать вывод о том, что разработанный метод и ИИС найдут широкое применение при определении теплозащитных свойств многослойных конструкций и изделий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Чернышова И.И., Чернышов В.Н. Методы и средства неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов. М.; Машиностроение, 2001. 240 с.

2. Чернышов A.B. Методы и средства неразрушающего контроля теплофизических свойств многослойных изделий: дис. ... канд. техн. наук. Тамбов, 2005. 186 с.

3. Патент РФ № 224553В CI, G 01 N 25/18. Способ неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов многослойных конструкций / Чернышов A.B.; Опубл. 27.01.05; Бюл. № 3.

4. Рыктип H.H. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951. 296 с.

5. Лу.чьнев l'.H. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высш.шк., 1984. 247 с.

6. Когте В.П. Двумерные осесимметричные нестационарные задачи теплопроводности / под ред. А.Г. Шашкова. Мн.: Наука и техника, 1986.392 с.

Поступила в редакцию 9 сентября 2006 г.