5. Экспериментальное исследование

5.1. Определение толщины покрытия с известными теплофизическими свойствами

Для экспериментального исследования были выбраны двухслойные полимерно-металлические образцы с термостойким акриловым покрытием на металлической подложке из стали Ст3.

Испытаниям подвергли полимерно-металлические изделия с толщинами покрытий (табл. 5.1.), измеренными микрометром по методике, представленной ниже.

Экспериментальное исследование проводилось при постоянной подаче мощности теплового воздействия на плоский круглый нагреватель – 19904,4586 Вт/м² (для напряжения U = 5 В, радиус нагревателя R_Н = 0,004 м); временной шаг измерения температуры – 0,25 с; материал подложки ИЗ – Рипор; время проведения эксперимента – 900 секунд. Испытания проводились пять раз на каждом образце. Результаты обрабатывались с помощью пакета программ LabVIEW и Microsoft Excel.

Для определения толщины покрытия с известными теплофизическими характеристиками используем следующую методику.

– измеряем толщину металлической пластины без покрытия;

– измеряем толщину полимерно-металлического изделия (пластина с покрытием из термостойкой эмали);

– экспериментально снимаем зависимость T₁ = f(τ);

– определяем коэффициент математической модели b₀;

– определяем толщину полимерного покрытия.

Рисунок 5.1 – Зависимость b₀ = f (h_1и)

Согласно разработанной методике и полученному решению (8) построена зависимость b₀ = f (h_1и), представленная на рисунке 5.1. Так как решение (8) получено в форме, пригодной для использования только на рабочем участке термограммы (при регуляризации тепловых потоков и соблюдении условия полуограниченности второго тела), то нисходящая ветвь зависимости не может быть использована для дальнейших расчетов. Поскольку первый слой объекта низкотеплопроводный, а второй – высокотеплопроводный, формулы (12, 13) работают только при условии соблюдения полуограниченности (в тепловом отношении) второго тела. В дальнейшем исследовании рассматривалась только восходящая ветвь графика рисунок 5.1.

Таким образом, предлагаемый метод может быть реализован только на тонкослойных покрытиях.

Таблица 5.1 – Толщина полимерного покрытия.

Номер образца	Толщина покрытия h1и, мм
1 образец	0,11
2 образец	0,15
3 образец	0,20

На рисунке 5.2 – 5.16 представлены термограмма (а), зарегистрированная ТП при проведении опыта, и график зависимости b₀ = f ( ) (б), который отображает изменение коэффициента математической модели b₀, описывающего термограмму на рабочем участке, (формула 9). Здесь T₁ – избыточная температура в точке контроля.

, с

T₁, °C

а)

б)

Рисунок 5.2 – Термограмма (а) Т₁ = f(τ), зависимость

b_0о = f ( ) (б). Серия №1; опыт № 1

, с

T₁, °C

а)

b_0о

б)

Рисунок 5.3 – Термограмма (а) Т₁ = f(τ), зависимость

b_0о = f ( ) (б). Серия №1; опыт № 2

T₁, °C

, с

а)

b_0о

б)

Рисунок 5.4 – Термограмма (а) Т₁ = f(τ), зависимость

b_0о = f ( ) (б). Серия №1; опыт № 3

T₁, °C

, с

а)

b_0о

б)

Рисунок 5.5 – Термограмма (а) Т₁ = f(τ), зависимость

b_0о = f ( ) (б). Серия №1; опыт № 4

T₁, °C

, с

а)

b_0о

б)

Рисунок 5.6 – Термограмма (а) Т₁ = f(τ), зависимость

b_0о = f ( ) (б). Серия №1; опыт № 5

T₁, °C

, с

а)

b₀

б)

Рисунок 5.7 – Термограмма (а) Т₁ = f(τ), зависимость

b₀ = f ( ) (б). Серия №2; опыт № 1

T₁, °C

, с

а)

b₀

б)

Рисунок 5.8 – Термограмма (а) Т₁ = f(τ), зависимость

b₀ = f ( ) (б). Серия №2; опыт № 2

T₁, °C

, с

а)

b₀

б)

Рисунок 5.9 – Термограмма (а) Т₁ = f(τ), зависимость

b₀ = f ( ) (б). Серия №2; опыт № 3

T₁, °C

, с

а)

b₀

б)

Рисунок 5.10 – Термограмма (а) Т₁ = f(τ), зависимость

b₀ = f ( ) (б). Серия №2; опыт № 4

T₁, °C

, с

а)

b₀

б)

Рисунок 5.11 – Термограмма (а) Т₁ = f(τ), зависимость

b₀ = f ( ) (б). Серия №2; опыт № 5

T₁, °C

, с

а)

b₀

б)

Рисунок 5.12 – Термограмма (а) Т₁ = f(τ), зависимость

b₀ = f ( ) (б). Серия №3; опыт № 1

T₁, °C

, с

а)

b₀

б)

Рисунок 5.13 – Термограмма (а) Т₁ = f(τ), зависимость

b₀ = f ( ) (б). Серия №3; опыт № 2

T₁, °C

, с

а)

b₀

б)

Рисунок 5.14 – Термограмма (а) Т₁ = f(τ), зависимость

b₀ = f ( ) (б). Серия №3; опыт № 3

T₁, °C

, с

а)

b₀

б)

Рисунок 5.15 – Термограмма (а) Т₁ = f(τ), зависимость

b₀ = f ( ) (б). Серия №3; опыт № 4

T₁, °C

, с

а)

b₀

б)

Рисунок 5.16 – Термограмма (а) Т₁ = f(τ), зависимость

b₀ = f ( ) (б). Серия №3; опыт № 5

Для определения коэффициента математической модели b_0о проведены пять градуировочных опытов, по результатам которых определено среднее значение b_0о.

Таблица 5.2 – Результаты градуировочного эксперимента

№ опыта
1	26,70
2	26,92
3	26,49
4	25,43
5	25,67
Среднее значение: 26,24

Согласно табличным данным теплопроводность термостойкой эмали λ₁=0,088 Вт/(м∙К).

h₁= = = 0,000116 м = 0,11 мм, (14)

. (15)

Определение толщины покрытия с известными значениями теплофизических свойств через постоянную прибора

Выражение для вычисления постоянной прибора, значений h₁, при известной величине h_1о имеет вид:

(16)

(17)

На графике зависимости b₀ = f( ) выделен рабочий участок как плоская вершина, рисунок 5.7.

мм. (18)

где B – константа прибора, определяемая из градуировочного эксперимента (табл. 5.2).

В табл. 5.3 приведены результаты серий экспериментов №2 и №3.

Здесь: h_1и – значение толщины покрытия, измеренное с помощью микрометра.

Таблица 5.3 – Результаты экспериментов

№ опыта		, мм	b0	h1, мм	,%
Серия №2	1	0,15	33,08	0,139	7,3
	2	0,15	33,23	0,139	7,1
	3	0,15	33,53	0,141	6,3
	4	0,15	34,05	0,141	4,8
	5	0,15	33,42	0,140	6,6
Серия №3	1	0,20	45,85	0,192	3,9
	2	0,20	45,88	0,192	3,8
	3	0,20	46,14	0,193	3,3
	4	0,20	44,58	0,187	6,6
	5	0,20	46,69	0,196	2,1