1.2 Методы и средства теплового неразрушающего контроля материалов и изделий

Современное развитие промышленности характеризуется ростом номенклатуры и объемов производства новых материалов (строительных, теплозащитных, полимерных и др.), интенсификацией технологических процессов их переработки в изделия. Большой объем экспериментальных исследований по определению качества, долговечности и надежности как традиционных, так и вновь синтезированных материалов и изделий требуют совершенствования известных и создания новых методов и средств контроля. Среди них особое место занимают тепловые методы (ТМ) неразрушающего контроля и диагностики.

Теплофизические свойства – теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность являются важнейшими характеристиками веществ и материалов. Количественные расчеты тепловых и температурных полей реальных тел возможны только тогда, когда известны конкретные значения ТФС материала этих тел.

В экспериментальной теплофизике различают две большие группы методов определения ТФС: стационарные и нестационарные. Определение ТФС стационарным методом основано на том, что тепловой поток, проходящий через исследуемое тело во время проведения измерений, сохраняется постоянным по величине и направлению. Существующие стационарные методы отличаются друг от друга способами учета и компенсации потерь, формами и размерами исследуемых образцов, размещением нагревателей, конструкцией измерительных ячеек, приемами регистрации и обработки измерительной информации.

Следует отметить, что стационарные методы практически не пригодны для определения ТФС материалов и изделий без нарушения их целостности. Серьезными недостатками стационарных методов являются большая длительность экспериментов, необходимость использования специально подготовленных образцов и возможность определения в процессе эксперимента только одного теплофизического параметра – коэффициента теплопроводности.

Методы определения ТФС материалов, основанные на закономерностях нестационарного потока тепла, можно разделить на 2 группы:

а) методы регулярного режима;

б) методы, основанные на определении параметров нестационарного температурного поля на начальной стадии его развития.

Различают регулярные режимы первого, второго и третьего рода. Основными недостатками методов регулярного режима являются: длительность эксперимента, возможность проведения измерений только на специально подготовленных образцах определенной формы. Последнее затрудняет применение этих методов для неразрушающего контроля ТФС материалов.

Наиболее приемлемыми для оперативного НК ТФС материалов и изделий являются методы измерения, основанные на определении параметров нестационарного температурного поля на начальной стадии процесса теплопроводности. В данных методах исследуемый образец моделируется в виде полуограниченного тела. Эти методы работают в основном там, где определяются ТФС без нарушения целостности и эксплуатационных характеристик исследуемых изделий.

Тепловое воздействие постоянной мощности 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.

В теплофизических измерениях с точки зрения простоты расчетных соотношений, эксплуатационных возможностей и общей информативности наибольший интерес представляет квазистационарная стадия теплового процесса. На этой стадии температурное поле образца перестает зависеть от начальных условий, а в большинстве случаев и от времени.

В неразрушающих методах контроля ТФС различные авторы достаточно активно используют измерительные устройства, базирующиеся на исследовании круглого участка поверхности.

В работе [9] рассматривается метод, основанный на решении задачи теплопроводности для полуограниченного тела, нагреваемого через участок его поверхности в виде круга радиусом R тепловым потоком q. В методе используются закономерности нестационарного теплообмена, что значительно уменьшает длительность эксперимента. Искомые ТФС определяются путем регистрации измеряемых значений температуры в центре круга в произвольные, но кратные моменты времени nτ и 2nτ. Из-за сложности тепловой физической системы не удается получить явные и простые аналитические выражения для расчета искомых ТФС. Поэтому сначала для различных значений n строится график (или составляется таблица) зависимости затем определяется критерий Фурье (Fo).

К недостаткам данного метода следует отнести то, что необходима графическая обработка результатов измерения для расчета искомых ТФС, усложняющая практическое его применение.

В работах [3-8] рассматриваются методы НК ТФС массивных образцов, с использованием аппарата интегральных характеристик. Рассмотрим данный подход на примере работы [4], в которой рассматривается метод, базирующийся на решении задачи теплопроводности для полуограниченного тела, нагреваемом через участок его поверхности в виде круга радиуса R тепловым потоком q. В методе предлагается измерение интегральной температуры нагреваемого круга S(τ) (поверхностной интегральной характеристики) металлическим термометром сопротивления, уложенным по спирали, близкой к спирали Архимеда. Вводится понятие поверхностной временной интегральной характеристики нагреваемого круга

В методе непосредственно снимается экспериментальная зависимость S(τ). Затем по S(τ), на основании квадратурной формулы, численно определяют значение поверхностной временной интегральной характеристики – S^*(p). Значения коэффициентов теплопроводности определяются на основании установившегося (стационарного) значения

S_ст = S(τ → ∞), а температуропроводности – на основании S^*(p).

Важным преимуществом данного метода является то, что ТФС предлагается определять на основании информации, полученной с определенной площади образца, что позволяет снизить ошибку измерения в случае исследования дисперсных материалов. Другим преимуществом является то, что для расчета ТФС используется практически вся экспериментально снятая термограмма. Среди недостатков такого подхода необходимо отметить то, что авторы учитывают только погрешность приближенного вычисления интегралов. Предполагается, что подынтегральная функция задается точно, т.е. погрешность измерения S(τ) не учитывается. Другой недостаток заключается в том, что для определения ТФС необходимо проводить эксперимент вплоть до установившегося значения S* ст, что увеличивает длительность эксперимента. Так же не учитывается тот факт, что образец можно рассматривать как неограниченный только определенный промежуток времени.

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 тепловой процесс выходит на стадию регуляризации.

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

В работе [28] показана необходимость проведения серий идентичных измерений, с целью повышения достоверности получаемых результатов, предложен многостадийный метод.

Все приведенные в работе [10] нестационарные температурные поля, возникающие вследствие нагрева полуограниченного тела локальными источниками тепла, также могут служить аналитическим материалом («фундаментом») для разработки абсолютных методов комплексного определения ТФС материалов без нарушения их целостности при практической реализации в теплофизическом эксперименте требуемых теоретически-постулированных краевых условий.

При наличии внутри тела объемных тепловыделений необходимо рассматривать неоднородное дифференциальное уравнение теплопроводности с внутренними источниками тепла [7, 10, 15].

При высокоинтенсивных нестационарных процессах теплообмена в сильно разреженных средах следует рассматривать гиперболическое дифференциальное уравнение теплопроводности, учитывающее конечную скорость распространения тепла. 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.