1.2 Методы и средства теплового неразрушающего контроля материалов и изделий

В основу всех современных теплофизических методов и приборов положено правило, что искомое теплофизическое свойство находится через температурный отклик рассматриваемого образца на внешнее тепловое воздействие, которому подвергают этот образец в ходе специально организованного эксперимента.

Устройство задания тепловых воздействий (УЗТВ) позволяет создавать в образце необходимые начальные условия (НУ) за счет управления граничными условиями (ГУ) и внутренними источниками тепла (ВИТ), а затем в ходе эксперимента изменять значения ГУ и ВИТ по закону, заданному программным обеспечением персонального компьютера (ПК). Устройство УРО и СКД служит для размещения образца и для создания контактного давления на внешних поверхностях образца, что позволяет снизить контактные тепловые сопротивления на граничных поверхностях образца [5, 19].

Блок измерительных преобразователей (БИП) включает в себя преобразователи температуры (ПТ), преобразователи теплового потока (ПТП), преобразователи других величин (ПДВ), например, устройства для измерения электрической мощности, тока, напряжения и т.п. Коммутатор обеспечивает возможность подключения выходного сигнала любого из измерительных преобразователей ко входу усилителя У, коэффициент передачи которого задается персональным компьютером ПК. Выходной сигнал усилителя преобразуется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в цифровой сигнал, воспринимаемый персональным компьютером ПК. Устройство боковой защиты образца (УБЗО) позволяет создать необходимые тепловые условия на боковых поверхностях исследуемого образца, например, адиабатические условия, позволяющие исключить теплообмен боковых поверхностей образца с окружающей средой.

Универсальная схема установки для определения (ТФС) представлена на рисунке 1.1.

ИУ – измерительное устройство; УЗТВ – устройство задания тепловых воздействий на образец, обеспечивающее управление начальными условиями (НУ), граничными условиями (ГУ) и внутренними источниками тепла (ВИТ); БИП – блок измерительных преобразователей, включающий в себя преобразователи температуры (ПТ), преобразователи теплового потока (ПТП), преобразователи других величин (ПДВ); У – усилитель; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; УРО и СКД – устройство для размещения образца и создания контактного давления; УБЗО – устройство боковой защиты образца от теплообмена с окружающей средой; ПК – персональный компьютер, включаю-щий в себя: П – процессор; Кл – клавиатуру; ЦОУ – цифровое отсчетное уст-ройство; Пр – принтер; СА – системный адаптер; ЗУ – запоминающее устройство.

Рисунок 1.1 – Структурная схема компьютерного устройства измерения ТФС веществ.

Персональный компьютер (ПК) обеспечивает управление ходом эксперимента как во время его подготовки, так и во время активной стадии проведения эксперимента . Системный адаптер (СА) позволяет проводить теплофизический эксперимент в режиме удаленного доступа через Интернет.

В экспериментальной теплофизике в зависимости от характера изменения во времени температуры и тепловых потоков в исследуемом образце во время проведения эксперимента различают стационарные и нестационарные методы и средства для определения ТФС.

Стационарные методы и средства, предназначенные для измерения теплофизических свойств веществ после завершения всех тепловых переходных процессов в исследуемом образце, т.е. в условиях

T = const, и q = const, .

Стационарный метод применяется для контроля теплофизических свойств изделий с анизотропией теплопроводности, контроля пористости и излучательной способности объектов [5, 22–24].

Контролируемые параметры: теплопроводность, теплоемкость, коэффициент излучения, излучательная способность. Данный метод не может применяться при недопустимой температуре нагрева объекта, временной и пространственной нестабильности излучения объекта [6].

Нестационарные методы и средства, предназначенные для измерения теплофизических свойств материалов и изделий в ходе теплового переходного процесса, когда T ≠ const, и/или q ≠ const, .

Нестационарный метод применяется для контроля теплофизических свойств материалов с большой теплопроводностью, динамики нагрева (охлаждения) объектов, контроля дефектов типа нарушения сплошности в сотовых и композитных материалах, полимерах, контроля тепловых деформаций [5].

Контролируемые параметры: теплопроводность, тепловая постоянная времени, размер дефектов, температурная деформация.

Данный метод не может применяться при недопустимой температуре нагрева объекта, временной и пространственной нестабильности излучения объекта [6].

Методы неразрушающего контроля ТФС изделий и материалов, основанные на закономерности нестационарного теплового процесса, принято подразделять на 2 группы [5]:

– методы, основанные на определении параметров нестационарного температурного поля в начальный момент его развития;

– методы регулярного режима.

Методы регулярного режима подразделяют на методы первого, второго и третьего рода. Эти методы затрудняют применение их для НК ТФС материалов и изделий, т. к. имеют следующие недостатки: длительность эксперимента, проведение эксперимента только на заранее подготовленном образце определенных геометрических размеров. Общая теория этих методов описана в работах Г.М. Кондратьева [7, 8, 26].

Простейший вид имеют решения одномерных краевых задач теплопроводности. Двухмерность и трехмерность температурных полей обычно не обеспечивает улучшения эксплуатационных свойств метода или устройства, однако при этом значительно ухудшаются их метрологические характеристики. Поэтому при разработке теплофизических методов и средств НК стараются согласовать пространственное расположение источника теплового воздействия с геометрией образца таким образом, чтобы этот образец можно было считать одномерным (плоским, цилиндрическим, сферическим) в ходе активной стадии эксперимента [5].

Тепловое воздействие постоянной мощности на исследуемых образец или материал может быть объемным и поверхностным. Объемный источник генерирует теплоту внутри образца, обеспечивая в адиабатических условиях линейное увеличение его энтальпии или внутренней энергии. Поверхностный источник воздействует на ту или иную поверхность образца, создавая через нее постоянный тепловой поток. В отдельных случаях поверхностный источник постоянной мощности может действовать в одном из внутренних слоев образца.

В методе НК ТФС находят применение, главным образом, те схемы и задачи, в которых источник создает внутри образца одномерное температурное поле. Применительно к НК ТФС, наибольшее распространение получили методы, при которых поверхностный источник тепла постоянной мощности действует на ограниченном участке исследуемого образца. В большинстве случаев в качестве источника постоянной мощности используют электрический нагреватель. Иногда для этой цели пригодно высокотемпературное тепловое излучение [9].

К активно развивающимся и перспективным в плане повышения производительности и достоверности методам НК ТФС в настоящее время следует отнести методы, позволяющие проводить исследования на рабочих участках термограмм, где теплоперенос выходит на стадию регуляризации [10].

Длительность и время появления таких участков связаны аналитическими зависимостями с ТФС нагреваемых образцов.

В работе [11] показана необходимость проведения серий идентичных измерений с целью повышения достоверности получаемых результатов, предложен многостадийный метод.

При нагревании полимеров и различных материалов на их основе часто наблюдаются регистрируемые методами дифференциальной сканирующей калориметрии тепловые эффекты. При НК ТФС эти эффекты могут возникать вследствие структурных превращений (как фазовых, так и релаксационных) и существенно влиять на результат измерения [9].