3. Пасивні методи теплового контролю

При пасивному контролі температура ОК відрізняється від температури навколишнього середовища. У процесі вирівнювання температур наявність дефекта виявляється у формуванні протягом деякого часу локального викиду на температурному полі. Пасивним є і виявлення локальних джерел теплоти, що виникають у процесі експлуатації виробів (наприклад, виявлення місць короткого замикання провідників на друкованих платах).

Аналітичний опис температурних полів ОК з внутрішніми дефектами (внутрішніми джерелами теплоти) є важким. На практиці конкретні моделі досліджують за допомогою комп`ютерів числовими методами.

Технологію проведення таких досліджень пояснимо на прикладі розрахунку температури конструкції, виконаної у вигляді покриття, нанесеного на підкладку при відсутності адгезії (рис. 7.12).

1 – покриття; 2 – порожнина; 3 – підкладка

Рисунок 7.12 – Геометрія задачі розрахунку: температури ОК

Рівняння (7.26) для цього випадку має вигляд

, , ,

, , z=h_П -( h_П + d), (7.47)

, , z=(h_{П +}d)-(H_П+h_П),

, z=h_П -(H_П+h_П ),

де а_і і Т_і – коефіцієнт температуропровідності та температура і-ї області.

У якості граничних умов приймаємо періодичний хід теплового потоку через поверхню і рівність теплових потоків і температур на границях суміжних областей:

; ; ; ;

; ;

;

; (7.48)

;

; ;

; ; ; ; ,

де , , – коефіцієнти теплопровідності відповідних середовищ.

Результати розв'язування задач (7.47), (7.48) числовими методами для об'єкта, зображеного на рис. 7.12, при =1,55; =2,59; =1,13 ; 0,84; 1,05; 2,09 ; 2000; 1,205; 1650 ; 100 ; 0,1 і наведені на рис.7.13.

Графіки на рис. 7.13, а показують зміну потоку тепла 1 і температури поверхні покриття в бездефектній 2 і дефектній 3 областях; на рис. 7.13, б – зміну перепаду температур на поверхні і в області дефекту; на рис.7.13, в – зміну температури поверхні покриттів у напрямі x; на рис.7.13, г) – зміну максимального перепаду температур

Т=Т(х=0)-Т(x=x₁).

Рисунок 7.13 – Результати розрахунку температури

З аналізу кривих можна зробити важливий висновок. Сигнал Т залежить від відношення глибини дефекту до його поперечних розмірів, причому ця залежність близька наростаючій експоненті. Якщо вказане відношення більше шести, зміни Т практично не відбуваються і амплітуда очікуваного сигналу може бути знайдена аналітично як різниця рішень для двошарової одномірної моделі, нижній шар якої виступає в ролі дефекту, і напівобмеженого тіла.

Дійсно, розглянемо напівобмежене тіло, в якому є порожнина, відділена від поверхні ОК стінкою товщиною d (рис. 7.14). Потрібно визначити приріст температури над порожниною в точці x₀ відносно температури віддаленої від неї ділянки при початковій температури над порожниною в точці x₀ відносно температури віддаленої від неї ділянки при початковій

, (7.49)

. (7.50)

Рисунок 7.14 – Схематичне зображення напівобмеженого тіла з порожниною

Знайдемо розв'язок рівняння при крайових умовах (7.49) – (7.50) і додатковій умові і розв'язки рівнянь , ;

, z>0

при наступних умовах:

, , ,

,

.

Використовуючи операційний метод Лапласа, одержимо шуканий результат у вигляді

,

де ; індекс 2 відноситься до порожнини.

Одержаний вираз використовується, зокрема, для оцінювання очікуваного сигналу у випадку відшарування верхнього шару в аеродромних і асфальтових покриттях.

Структурна схема теплового дефектоскопа включає джерело випромінювання і приймач випромінювання, пов'язане з реєструвальною схемою. Може бути використана будь-яка комбінація джерел і приймачів випромінювання. При цьому потрібно потурбуватися, щоб приймач був чутливий до теплового випромінювання.

Основний недолік приладів класу, які розглядаються, виникає із закладеного в них принципу реєстрації амплітудної інформації. Реальні поверхні виступають у ролі джерела перешкод, зумовлених флуктуаціями коефіцієнтів поглинання поверхні нагріваючого потоку і випромінювання. Перешкоди заважають інтерпретувати зареєстрованї картини, обмежують чутливість методу, а їх усунення зв'язане із значними труднощами. Все це пояснює зацікавленість, яку виявляють в останні роки до виділення “фазової” інформації, що формується при поширенні теплових хвиль в ОК. Можливості виділення цієї інформації пояснимо на двох прикладах.

1) У зразках з нанесеним покриттям теплова хвиля частково “відбивається” від межі розділу середовищ і повертається до зовнішньої поверхні. Параметр _т=(1-_а)/(1+_а), де _а=[_вс_в_Тв/(_пс_п_Тп)]^0,5 кількісно характеризує процес взаємодії хвиль з границею покриття підкладки. Тут _в, с_в, , _п, с_п, , – густина, питома теплоємність і коефіцієнт теплопровідності відповідно підкладки і покриття. Для ряду композицій коефіцієнт _т може досягати великих значень. Так, для мідного покриття на текстоліті _т0.96, для гумової плівки на стальному зразку _т-0.96. Знак мінус означає, що підкладка “відтягує” теплову енергію з покриття, тобто виступає в ролі стоку тепла.

Поява “відбитої” хвилі змінює температурне поле на поверхні об'єкта контролю. Замість (7.40) для ОК з покриттям справедливий вираз:

(7.51)

де .

Внаслідок додавання двох хвиль однієї частоти виникає картина, яку можна назвати “тепловою інтерференційною”. Вона залежить від значення _т. Для відшаровування коефіцієнт _т має максимальне значення, що наближається до одиниці.

У місці дефекту спостерігається характерне спотворення температурного поля.

Залежність амплітуди і фази результуючої хвилі (0,t) від товщини покриття d_П використовується для безконтактного контролю його товщини. Вираз для швидкості поширення хвилі служить основою методу контролю коефіцієнта температуропровідності а.

Метод “теплової інтерферометрії” перебуває в стадії розроблення. Структурну схему створених на його основі експериментальних приладів зображено на рис. 7.15.

Як джерело нагріваючого потоку зазвичай використовують лазер 1 потужністю в декілька ват. Довжину хвилі випромінювання лазера потрібно підібрати таким чином, щоб вона перебувала поза смугою спектральної чутливості приймальної системи 6. Вдалим вважається поєднання: ₁=0,4…1 мкм для лазера, ₂=8…14 мкм для приймача. Модульований потік викликає в об’єкті контролю 3 теплові хвилі, які перетворюються приймальною системою в електричний сигнал. Двофазний синхронний підсилювач 7 виділяє амплітуду і фазу вхідного сигналу, аналіз яких проводиться в мікропроцесорі 5.

Після прийняття рішення про параметри контрольованої області, формується сигнал керування кроковим приводом 4, і в поле контролю підводиться нова область об'єкта. У ряді установок передбачене керування частотою модулятора 2 для оптимізації режиму випробувань.

2) Варто зупинитися на принципі дії іншого приладу, відмінного схемою реєстрації теплової картини. Тут використовується так званий “ефект міражу” для перетворення температурного розподілу на поверхні ОК в електричний (або інший, придатний для наступного використання) сигнал.

1 – лазер (Ф_е=10 Вт; =0,55 мкм); 2 – модулятор; 3 – об’єкт контролю; 4 – кроковий привід; 5 – мікропроцесор; 6 – оптоелектронний перетворювач,7 – синхронний підсилювач

Рисунок 7.15 ‒ Структурна схема експериментальної установки для спостереження

“теплової інтерференції:

Відомо, що в тонкому шарі повітря, який межує з поверхнею твердого тіла, тепло поширюється переважно шляхом молекулярної теплопровідності. Розподіл температури в граничному шарі відображає розподіл температури на поверхні тіла.

У табл. 7.2 подано результати дослідів із вимірювання температури в шарі повітря, дотичному з ОК. Розподіли температури повітря на поверхні і поблизу неї подібні. За наявності температурного градієнта створюється градієнт показника заломлення і оптичний (зондуючий) промінь у граничному шарі повітря зазнає відхилення від первинного напряму.

Таблиця 7.2 – Розподіл температури над поверхнею

Відстань від нагрітої поверхні, м	0	0,025	0,05	0,1	0,2	0,4	0,5
Температура, 0С	87,6	82,0	79,6	77,4	74,0	68,8	66,6

Якщо густина нагріваючого потоку змінюється за синусоїдальним законом, зміни напряму зондуючого променя у часі відображають структуру температурного поля, яке формується на поверхні покриття. Картина на плоскому екрані (в площині приймача), встановленому на шляху зондуючого променя, визначається частотою нагріваючого потоку (довжиною теплової хвилі) , товщиною покриття d_П, відстанню променя від поверхні ОК. Фіксуючи фігуру, що виписується зондуючим променем для контрольного зразка, і порівнюючи її з фігурами для зразків, що випробовуються при незмінній частоті і відстані, можна робити висновок про відхилення контрольованих параметрів (товщини покриття і коефіцієнта температуропровідності а від встановлених значень.