4. Фізичні основи теплового неруйнуючого контролю. Основні закони теплового випромінювання та теплопередача. Використання їх для розробки методів теплового контролю.

Тепловий неруйнівний контроль базується на реєстрації теплових полів, температури чи перепаду теплових характеристик, об'єкта контролю. Теплова енергія – це енергія руху молекул, а узагальненою величиною, яка характеризує ступінь нагріву тіла чи речовини, є температура. Один із проявів теплової енергії – її передача, поширення в просторі.

Поширення теплоти відбувається в вигляді теплообміну між тіла­ми, які мають різну температуру. Тіло більш нагріте віддає теплоту, а менш нагріте поглинає її. Перенос теплоти є процесом само­вільним, необоротним і веде до вирівнювання температури тіл. Він відбувається трьома способами: конвекція, теплопровідність і теплове випромінювання (радіаційний теплообмін), один з яких може значно переважати інші в певному конкретному випадку.

Теплопровідність – молекулярний перенос теплоти на мікрорівні за рахунок передачі зміни інтенсивності коливань від молекули до молекули, причому їх сукупність в цілому займає певний постійний об'єм, середнє положення якого незмінне в просторі. Теплопровід­ність в чистому вигляді характерна для твердих тіл, в меншій мірі – для рідин.

Конвекція – перенос теплоти частинками речовини, які перемі­щуються в просторі. Вона характерна для рідин і газів.

Теплове випромінювання – передача теплоти шляхом випускання коротких електромагнітних хвиль. Теплові випромінювання охоплюють діапазон електромагнітних коливань від 310¹¹ - до 410¹⁴ Гц, яким відповідають довжини хвиль =1мм – 0,75мкм. Нижня границя по частоті відповідає близькості з радіохвилями (далеке ІЧВ), а верхня - близь­ка видимому світлу (червоному).

Якщо теплопровідність і конвекція можливі тільки в середовищі якої-небудь речовини, то теплове випромінювання може поширюватись і в вакуумі, а швидкість його руху дорівнює швидкості світла.

На практиці мають місце всі види передачі теплоти одночасно, але в різних кількісних співвідношеннях і в залежності від кон­кретного виду контрольованого об'єкта контролю і задачі неруйнів­ного контролю. Як правило, передача теплоти від джерела до об'єкта контролю може відбуватись будь-яким з цих способів, але в об'єкті контролю теплопередача відбувається як правило в виді теплопровідності, а від об'єкта контролю до первинного вимірювального перетворювача чи індикатора звичайно відбувається у вигляді теплового (ІЧ) випромінювання (безконтактні методи) або за рахунок теплопровід­ності (контактні методи). Ці обставини визначають методику розра­хунку поля температур по об'єкту контролю і порівняно повільний процес його встановлення. В той же час в силу електромагнітного характеру теплового випромінювання процес одержання теплових сиг­налів перетворювачем і їх обробка можуть здійснюватись з великою швидкістю (залежно від швидкодії апаратури).

Температура є найважливішою величиною, яка визначає одержання корисної інформації при тепловому контролі. Її вимірюють непрямими методами за зміною інших фізичних величин, зв'язаних з нею, наприклад, об'єму, довжини, електричного опору, термо е.р.с., енергії прийнятого випромінювання і ін.

Основною є термодинамічна температура Т, яка відлі­чується від абсолютного нуля температур і вимірюється в К.

За шкалою Цельсія : t = T - 273,15.

Методи теплового контролю можуть бути пасивними і активними. Пасивний метод передбачає використання теплоти самого об'єкта контролю, а активний полягає в тому, що на об'єкт контролю діє енергія зовнішнього джерела.

Пасивний тепловий контроль дозволяє визначати тепловий режим і відхилення його фізико-хімічних, геометричних параметрів.

Активний тепловий контроль має більш широкі можливості із-за використання різних динамічних показників. Тому активні методи помимо контролю фізико-хімічних параметрів та геометричних пара­метрів різних об'єктів контролю дають можливість виявляти неод­норідності в матеріалі шарів чи частин ОК – дефектів типу порушення суцільності, посторонніх домішок, змін в струк­турі чи фізико-хімічних властивостях.

У залежності від взаємного розміщення джерела теплоти, ОК та термочутливої апаратури розрізняють односторонній (подібний контролю за відбитим випромінюванням), двосторонній (по­дібний контролю за пройденим випромінюванням) і комбіновані ме­тоди.

Тепловий контроль може проводитися в стаціонарному режимі при постійному (який встановився) тепловому режимі і в нестаціо­нарному режимі, коли тепловий режим змінюється. Нестаціонарний режим теплового неруйнівного контролю складніший в організації, але його інформативна здатність набагато більша. Якщо області, де проводиться нагрівання і вимірювання, практично співпадають, такий метод називається синхронним, а при неспівпаданні цих областей в часі чи в просторі - несинхронним.

Нагрівання ОК при використанні джерел нагрівання вимагає дотримування певних правил техніки безпеки. При невеликих рівнях температур, які застосовуються в тепловому неруйнівному контролі і дотриманні елементарних заходів обережності, які основані на життєвому досвіді оператора, проведення контролю не викликає великих труднощів з позиції техніки безпеки і санітарії. Особливістю теплового випромінювання є те, що людина відчуває його шкірою і може своєчасно прийняти захисні заходи чи вийти з шкідливої зони. Теплова дія може бути небезпечною для людини при великій її інтенсивності і швидконаростаючих потоках теплоти. В зв'язку з цим, якщо енергія джерела велика, слід прийняти відповідні захисні заходи: віддалити робоче місце оператора від дже­рела тепла, забезпечити його теплозахисним одягом чи прийняти інші заходи, які не допускають сильної теплової дії.

У математичній теорії теплопровідності поширення тепла розглядається подібно перетіканню рідини.

Густиною потоку теплоти називається вектор Q, який співпа­дає по напряму з напрямом поширення тепла, і чисельно рівний кількості теплоти, яка проходить за 1 секунду через площадку в один кв.см, перпендикулярно до напряму потоку теплоти.Q – функція координат і часу t: Q=Q(x,t).

Виділимо уявно в середовищі, в якому поширюється потік тепла в напрямі X, циліндр з твірними, парарельними осі OX.

S – площа поперечного перерізу циліндра.

Розглянемо ділянку циліндра з довжиною dx (Рис 2.1). Через бокові поверхні передачі тепла немає.

Рисунок 2.1-Схематичне зображення потоку тепла в середовищі .

SQ(x)dt – кількість теплоти, яка входить за час dt.

SQ(x+dx)dt – кількість теплоти, яка виходить із циліндра.

Кількість теплоти, яка поступила в цю частину циліндра за час dt:

( 2.1 )

Кількість теплоти, яку одержала маса цієї частини циліндра, дорівнює:

Q=dMC_VdT , ( 2.2 )

де dM=Sdx ; dT – підвищення температури.

Ці два вирази для кількості теплоти рівні. В загальному випадку, коли властивості і температура середовища залежить від всіх трьох координат (x,y,z), рівняння теплопровідності, яке виражає тепловий баланс в тілі, буде

. ( 2.3 )

Якщо присутня конвекція, то рівняння теплопровідності буде:

.( 2.4 )

Якщо температура постійна на обох кінцях тіла в часі, то це буде стаціонарний процес теплопередачі.

Потік тепла існує тільки тоді, коли є перепад температур T=T₁-T₂ в речовині товщиною l. Якщо коефіцієнт теплопровідності речовини _Т, то густина потоку

, (T₁T₂) . ( 2.12 )

Або в диференціальній формі

. ( 2.13 )

Підставимо вираз для Q:

. ( 2.14 )

Якщо середовище однорідне і коефіцієнт _Т не залежить від температури, то дістанемо:

, ( 2.15 )

де – коефіцієнт температуропровідності.

. ( 2.16 )

Якщо в одиниці об’єму циліндра є джерело q тепла – електричний струм, радіоактивне джерело – то буде:

, ( 2.17 )

або

. ( 2.18 )

Одержали рівняння теплопровідності в одномірній формі.

Рівняння теплопровідності повинно бути доповнено відомими граничними умовами, звідки виходить вплив геометричних розмірів, і початковими умовами, а в випадку конвективного теплообміну також повинна зберігатись неперервність потоку і з6ерігатись маса ре­човини. Розв'язуючи рівняння теплопровідності для моделей конкретних технічних систем "джерело нагріву – об'єкт контролю", можна розрахувати розподіл температури на об'єкті контролю і особливо на його поверхні в залежності від його форми, розмірів і інших параметрів, а також від наявності дефектів, що дозволяє судити про їх якість.

Якщо перепади температур і швидкості руху об'єкта контролю невеликі, конвекцією звичайно можна знехтувати, і розглядати теплопередачу тільки шляхом теплопровідності. В цьому випадку похідні по координатах в рівнянні теплопровідності пропадають. Розв'язати це рівняння в загальному випадку не можна. Тому звичайно шукають розв'язок для порівняно простих випадків, коли воно може бути доведене до числових значень шляхом розрахунків за формулами, за таблицями спеціальних функцій або на ЕОМ. При цьому аналізують в першу чергу стаціонарний режим і систему з ідеалізованими джерелами теплоти.

Одним з важливих варіантів теплового контролю (ТК) є аналіз впливу властивостей багатошарового виробу (див. рис.2.1), коли температура двох середовищ (звичайно газів) фіксована, що відповідає нагріванню від плоского нескінченно віддаленого джерела (а), від витягнутого в нитку джерела (б), від точкового джерела (в).

Тепловий потік через виріб, який створюється джерелом, дорівнює

. ( 2.19 )

При цьому в стаціонарному режимі розподіл температури в середині багатошарового виробу з плоскопаралельними шарами зображається лінійно ламаною прямою (а). Температура найбільш гарячої поверхні

, ( 2.20 )

а температура найхолоднішої поверхні

, ( 2.21 )

де – термічний опір системи ,

_Г, _x – коефіцієнти тепловіддачі гарячого і холодного середовищ

Теплове (ІЧ) випромінювання (радіаційний теплообмін) має електромагнітну природу, тому воно може поширюватись в будь-якому середовищі, в т.ч., в вакуумі, а також, як і інші види електромагнітного випромінювання, поширюється в ізотропному середовищі з швидкістю світла по прямій. Для ІЧВ справедливі і інші закони, спільні для електромагнітних випромінювань, зокрема закони відбивання і заломлення. З врахуванням цих особливостей на відміну від теплопровідності і конвекції ІЧВ поширюється практично миттєво. Тому швидкість неруйнівного контролю з використанням теплового випромінювання визначається звичайно інерційністю контрольновимірювальної апаратури чи теплових процесів в об'єкті контролю. Процес теплового випромінювання, так як і теплопровідність, і конвекцію, можна характеризувати густиною теплового потоку q, яка сильно залежить від абсолютної температури нагрітого тіла:

, ( 2.22 )

де  = 5.6710 ^–8 – постійна Стефана-Больцмана; _n – коефіцієнт випромінювання (ступінь чорноти тіла). В процесі радіаційного теплообміну можуть брати участь декілька тіл, які знаходяться в області розміщення об'єкта контролю і вимірювальної апаратури. При цьому посторонні сильно нагріті предмети впливають не тільки шляхом додаткового нагрівання об'єкта контролю чи дії на апаратуру, але й приводять до збільшення теплового потоку, який іде від об'єкта контролю за рахунок відбивання від нього теплового випромінювання інших нагрітих предметів.

В загальному випадку коефіцієнт випромінювання менший одиниці і залежить від стану поверхні тіла, його матеріалу, а також від інших факторів, в т.ч., від довжини хвилі ІЧВ температури тіла.