Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Многомодельные методы в микропроцессорных системах неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов. Учебное пособие.pdf
На рисунке 5.17 приведены зависимости ТФХ абразивных кругов
(25А12ПСМ16К5А и 25А25ПСМ16К5А) от концентрации (Си) дисперсии
Эмукрил М в них после импрегнирования и сушки [72].
На рисунках 5.18, 5.19, 5.20 представлены результаты оценки ТФХ
материалов строительного назначения на основе кожевенного наполнителя, гипса, воды, полимерных дисперсий АК-215, АБВ-1б, полученные
различными методами.
Кривые 1, 2 получены в результате обработки термограмм, снятых
на ИВС с линейным импульсным нагревателем. Кривые 1 – результаты
обработки по методу, базирующемуся на уравнении (3.2) и изложенному
в работе [43]. Кривые 2 – результаты обработки тех же термограмм, но с
использованием разработанного авторами метода. Кривые 3 получены по
результатам испытаний тех же образцов на промышленно выпускаемом
теплофизическом приборе ИТ-3, использующем для определения теплопроводности стационарный метод.
Как видно из рис. 5.18, данные, полученные по разработанному методу, хорошо согласуются с результатами, полученными на приборе
ИТ-3. Ход кривых 2 и 3 на рис. 5.18 свидетельствует о том, что в отличие
от кривой 1, здесь практически отсутствует систематическая составляющая погрешности измерения.
а)
в)
Рис. 5.18. Зависимость
теплопроводности λλλλ от
содержания дисперсии АК (а),
дисперсии АБВ (б) и кожевенного
наполнителя (в) в составе
б)
материала
91
а)
б)
Рис. 5.19. Зависимость
температуропроводности a от
содержания дисперсии АК (а),
дисперсии АБВ (б) и кожевенного
наполнителя (в)
в составе материала
в)
На рисунке 5.20 показан разброс экспериментальных данных относительно их средних значений. Как видно из рис. 5.20, разработанный
метод позволяет также значительно снизить случайную погрешность за
счет использования большего количества экспериментальных точек по
сравнению с методом, основанным на определении ТФХ по отдельным
точкам термограммы (кривая 1).
В таблице 5.7 и на рис. 5.21 приведены результаты экспериментов
по определению ТФХ некоторых полимерных материалов. Измерения
проводили на ИВС с зондом, использующим линейный импульсный нагреватель, при следующем режиме работы: мощность на нагревателе
q = 3,125 Вт, период подачи импульсов ∆τ = 5,6 сек., длительность импульсов τ0 = 0,2 с. Градуировку осуществляли по ПММА ГОСТ 17622–72.
В таблице 5.7 представлены следующие данные:
– ТФХ материалов, рассчитанные по методу, разработанному авторами
(λм, aм);
– теплопроводность тех же образцов, измеренная на теплофизиче-
ском приборе ИТ-3 (λ
ИТ-3
);
– результаты определения ТФХ по методу, базирующемуся на уравнении (3.2) и изложенному в работе [43] (λт, aт).
92
а)
в)
Рис. 5.20. Зависимости теплопровод-
ности λλλλ от содержания дисперсии АК
(а), дисперсии АБВ (б), кожевенного
наполнителя (в) в составе материала
б)
В этой же таблице представлены результаты, полученные после статистической обработки результатов экспериментов:
– среднеарифметические значения ТФХ,
– абсолютные погрешности среднеарифметических значений ТФХ,
рассчитываемые по формуле [52]
n
( )
р
∑
1
=
=∆
i
tx
,
α
n
( )
nn
2
−
xx
i–
,
1
−
где x – соответствующее теплофизическое свойство, n – количество опытов; t
– коэффициент Стьюдента при доверительной вероятности α и n
α,n
степенях свободы. Величину α принимали равной 0,95.
На рисунке 5.21 представлены данные, полученные при обработке термограмм, снятых на образцах из ПТФЭ (обр. № 1) и Капролона-В:
– значения теплопроводности, а также величины абсолютных погрешностей, связанных с неточностью определения коэффициента b1
уравнения (3.14) (более подробно см. главу 3 и прил. П.2) для каждого
отдельного эксперимента;
– среднеарифметические значения теплопроводности, а также величины абсолютных погрешностей определения среднеарифметических
значений;
93
0,24
0,26
0,28
0,3
0,32
0,34
0,36
λ,
2 экс.
3 экс. 4 экс. 5 экс.
6 экс. ИТ-3 ср.зн.
1 экс.
1 2
3 4 5 6 7 8 9 0
Вт/м⋅К
0,38
1 экс. 2 экс. 3 экс.
4 экс.
5 экс. ср. зн.
ИТ-3
а)
λ,
0,55
Вт/м⋅К
0,5
0,45
0,4
0,35
0,3
б)
Рис. 5.21. Результаты обработки термограмм, снятых на образцах
из материалов: а – ПТФЭ; б – Капролон-В
– теплопроводности тех же образцов, измеренные на приборе ИТ-3,
а также величины абсолютных погрешностей в соответствии с паспортными данными на прибор ИТ-3.
Из таблицы 5.7 и рисунка 5.21 видно, что:
1) для исследованных материалов при заданных режимах работы
ИВС практически вся погрешность определения ТФХ по разработанному
методу, в сравнении со справочными данными и данными полученными
на приборе ИТ-3 (для исследованных образцов материалов), объясняется
случайной составляющей. Это справедливо как для отдельных измерений
(см. рис. 5.21), так и для среднеарифметических значений ТФХ;
94
λ
К
м
⋅
7
λ
К
м
⋅
7
λ
К
м
λ
К
м
⋅
7
λ
К
м
λ
К
м
⋅
7
95
,
2
10
м
спр
a
с
1,02
-
Таблица 5.7
,
спр
Вт
,
7
2
т
a
⋅10
ср
,
т ср
Вт
,
2
10
м
т
a
⋅
0,195
0,24-0,26
с
м
⋅
с
1,06
0,99
1,03
∆ a ≈
≈ 0,04
0,195
0,99
∆λ ≈
≈ 0,004
1,02
1,08
1,11
1,04
1,06
0,125
0,187
∆a ≈
≈ 0,121
0,023
0,130
∆λ ≈
≈ 0,139
0,108
0,240
0,331
,
т
⋅
Вт
0,196
0,189
0,189
0,198
0,201
0,198
0,192
0,196
-0,048
-0,035
0,114
-0,087
0,172
,
⋅
ИТ-3
Вт
,
10
2
м
м ср
a
с
-
1,02
∆a ≈
≈ 0,05
∆λ≈
0,297
0,474
0,030
∆a ≈
≈ 0,089
⋅
м ср
Вт
,
2
10
с
м
м
a
,
м
⋅
Вт
0,96
1,01
0,190
0,198 0,186
0,195
0,95
∆λ ≈
≈ 0,0056
1,00
1,15
1,01
1,06
0198
0,207
0,191 0,195 0,197
1,03
0,439
0,324
0,300
0,446
∆λ ≈
0,410
0,482
0,289 0,276 0,297 0,312
≈ 0,022
0,595
Материал
ПММА
ПТФЭ (№1)
λ
К
м
⋅
7
λ
К
м
⋅
7
λ
К
м
λ
К
м
⋅
7
λ
К
м
⋅
7
λ
К
м
⋅
7
,
данные, полученные при обработке термограмм по методу, разработанному авторами
данные, полученные при обработке термограмм по методу, базирующемуся на уравнении (3.2) и
96
Продолжение табл. 5.7
2
10
с
м
спр
a
,
спр
Вт
⋅
-
0,31-0,42
,
10
2
т ср
a
,
т ср
Вт
,
2
10
т
a
,
т
Вт
с
м
0,472
⋅
0,309
с
м
0,331
0,475
0,499
0,645
⋅
0,242
0,308
0,364
0,360
4,61
0,028
∆a ≈
≈ 0,111
∆λ ≈
≈ 0,050
0,400
0,475
0,273
0,308
4,83
∆a ≈
∆λ ≈
0,0293
4,52
4,72
4,65
5,49
4,54
0,0288
0,0297 0,0289 0,0314 0,0288 0,0296 0,0284 0,0288
≈ 0,28
≈ 0,0008
4,84
5,08
4,79
– данные, полученные на приборе ИТ-3; ∆λ, ∆a – абсо-
ИТ-3
,
⋅
ИТ-3
Вт
,
2
10
м ср
a
м ср
Вт
,
2
10
м
a
,
м
Вт
с
м
⋅
с
м
0,683
⋅
0,391
0,709
0,416
0,705
0,659
0,749
0,432
0,416
0,408
∆λ ≈
≈ 0,039
∆a ≈
≈ 0,036
∆λ ≈
0,009
4,10
0,732
0,728
0,411
0,411
-
4,45
∆a ≈
≈ 0,25
∆λ ≈
0,0266
4,28
4,43
≈0,0005
4,92
4,20
4,34
4,91
0,0268 0,0266 0,0279 0,0261 0,0265 0,0264 0,0262
– справочные данные; λ
спр
, a
спр
–
м
4,44
, a
м
–
т
, a
т
Пр и ме ч а н ие : λ
Материал
Капролон-В 0,418
Рипор 0,0259
(см. прил. П. 2); λ
изложенному в работе [58]. λ
лютные погрешности, полученные после статистической обработки результатов экспериментов.
2) величина случайной погрешности по разработанному методу (λм,
а
) значительно меньше, чем в методе, использующем для определения
м
ТФХ отдельные точки (λт, aт);
3) в отличие от данных, полученных по методу, требующему для
градуировки прибора две образцовых меры ТФХ (ПММА и рипор), разработанный метод позволяет избежать значительных выбросов (см. в
табл. 5.7 данные для ПТФЭ).
97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Вопросам теории и практики теплофизических измерений посвяще-
но большое число работ [1 – 37, 43 – 49, 54 – 67, 69 – 77].
Вопросы проектирования и эксплуатации унифицированных рядов
отечественных промышленных приборов, основанных на испытаниях
специальных образцов определенных размеров и формы, достаточно хорошо разработаны и опубликованы [8, 47 – 49].
Методы неразрушающего теплового контроля активно развиваются
в настоящее время, но серийного оборудования для их реализации не выпускается (кроме единичных образцов, созданных для конкретных заказчиков).
В настоящей работе предложено проводить измерения в методах НК,
основываясь на рабочих участках термограммы, соответствующих регуляризации теплового режима в области нагревателя и термоприемников.
Сформулированы и решены соответствующие краевые задачи нестационарной теплопроводности, получены решения, которые использованы при
создании многомодельных методов НК ТФХ твердых материалов [72, 77].
Определение рабочих участков термограмм на основании статистических критериев позволяет исключить влияние субъективного фактора
при обработке термограмм. Так как в разработанных методах используются не отдельные точки термограммы, а участки, то уменьшается случайная составляющая погрешности определения ТФХ исследуемого материала. В случае исследования ТФХ дисперсных материалов, согласно
предлагаемым методам, определяются их среднеинтегральные значения.
За счет использования нескольких участков термограмм возможно осуществление самоконтроля при работе ИВС [54, 66, 72, 74 – 77].
Разработанные авторами методы НК ТФХ позволяют исследовать
полимеры и композиционные материалы на их основе при наличии тепловых эффектов, сопровождающих структурные превращения(например,
твердофазные, релаксационные) [51, 66, 69, 72].
Изложенные в книге теоретические положения НК ТФХ, обоснованные на регулярных тепловых режимах, авторы применили на моделях одномерных плоских, цилиндрических и сферических температурных полей
в образцах, которые могут быть отнесены к классу плоского, цилиндрического или сферического полупространств. Следует отметить, что, например, внутренние объемные, а также плоские и точечные импульсные источники не рассматривались, но указанные случаи также представляют
интерес, обширное поле деятельности и ждут своего развития.
98
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Неразрушающий контроль и диагностика : справочник /
В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, А.В. Ковалев и др. ; под. ред. В.В. Клюева. –
3-е изд., испр. и доп. – М. : Машиностроение, 2005. – 656 с.
2. Карслоу, Г. Теплопроводность твердых тел / Г. Карслоу,
Д. Егер. – М. : Наука, 1964. – 487 с.
3. Кондратьев, Г.М. Регулярный тепловой режим / Г.М. Кондрать-
ев. – М. : Гостехиздат, 1954. – 408 с.
4. Кондратьев, Г.М. Тепловые измерения / Г.М. Кондратьев. – М. –
Л. : Машгиз, 1956. – 253 с.
5. Коротков, П.А. Динамические контактные измерения тепловых
величин / П.А. Коротков, Г.Е. Лондон. – Л. : Машиностроение, 1974. –
222 с.
6. Кулаков, М.В. Измерение температуры поверхности твердых
тел / М.В. Кулаков, Б.И. Макаров. – М. : Энергия, 1977. – 96 с.
7. Лыков, А.В. Теория теплопроводности / А.В. Лыков. – М. :
Высш. шк., 1967. – 599 с.
8. Теплофизические измерения и приборы / Е.С. Платунов и др. –
Л. : Машиностроение, 1986. – 256 с.
9. Платунов, Е.С. Теплофизические измерения в монотонном ре-
жиме / Е.С. Платунов. – Л. : Энергия, 1973. – 143 с.
10. Методы определения теплопроводности и температуропроводно-
сти / А.Г. Шашков, Г.М. Волохов, Т.Н. Абраменко, В.П. Козлов. – Л. :
Энергия, 1973. – 242 с.
11. Шлыков, Ю.П. Контактный теплообмен / Ю.П. Шлыков, Е.А. Га-
рин. – М. – Л. : Энергия, 1963. – 144 с.
12. Ярышев, Н.А. Теоретические основы измерения нестационарных
температур / Н.А. Ярышев. – Л. : Энергия, 1967. – 298 с.
13. Беляев, Н.М. Методы нестационарной теплопроводности /
Н.М. Беляев, А.А. Рядно. – М. : Высш. шк., 1978. – 328 с.
14. Камья, Ф.М. Импульсная теория теплопроводности / Ф.М. Ка-
мья. – М. : Энергия, 1972. – 271 с.
15. Исследование теплофизических свойств композитов строитель-
ного назначения / И.В. Рогов, Н.Ф. Майникова, З.М. Селиванова,
А.А. Балашов // Вестник Тамбовского государственного технического
университета. – 1999. – Т. 5, № 2. – С. 285 – 289.
99
16. Дульнев, Г.Н. Процессы переноса тепла в неоднородных средах /
Г.Н. Дульнев, В.В. Новиков. – Л. : Энергоатомиздат, 1991. – 248 с.
17. Метод неразрушающего контроля теплофизических свойств
композиционных полимерных материалов / Ю.Л. Муромцев, И.В. Рогов,
Н.П. Жуков, А.П. Пудовкин // Надежность и контроль качества. – 1997. –
№ 11. – С. 37 – 44.
18. А.с. 1385787 СССР, МКИ G01N25/18. Способ неразрушающего
контроля теплофизических характеристик и устройство для его осуществления / В.Н. Чернышов и др. – Заявл. 02.01.85.
19. А.с. 1236355 СССР, МКИ G01N25/18. Устройство для определе-
ния теплофизических характеристик материалов / Е.И. Глинкин,
В.Н. Чернышов, Т.И. Рожнова. – 1986, Бюл. № 21.
20. А.с. 1381379 СССР, МКИ G01N25/18. Способ комплексного оп-
ределения теплофизических характеристик материалов и устройство для
его осуществления / В.Н. Чернышов и др. – 1988, Бюл. № 10.
21. Моделирование теплопереноса в полуограниченном теле от ли-
нейного источника тепла / Н.П. Жуков, Н.Ф. Майникова, И.В. Рогов,
О.Н. Попов // Вопросы современной науки и практики. Университет
им. В.И. Вернадского. – 2009. – № 10(24). – С. 120 – 126.
22. А.с. 1608535 СССР, МКИ G01N25/18. Способ определения теп-
лофизических характеристик материалов / В.Н. Казаков, Е.И. Глинкин,
Ю.Л. Муромцев. – 1990, Бюл. № 4.
23. А.с. 1402892 СССР, МКИ G01N25/18. Способ неразрушающего
контроля теплофизических характеристик и устройство для его осуществления / В.Н. Чернышов и др. – 1988, Бюл. № 2.
24. А.с. 1314236 СССР, МКИ G01N25/18. Способ комплексного оп-
ределения теплофизических характеристик материалов и устройство для
его осуществления / В.Н. Чернышов и др. – 1987, Бюл. № 20.
25. Теоретическое обоснование метода неразрушающего контроля
теплофизических свойств материалов / Н.П. Жуков, Н.Ф. Майникова,
И.В. Рогов, О.Н. Попов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. – 2010. – Т. 16. – № 2. – С. 296 – 302.
26. А.с. 1711052 СССР, МКИ G01N25/18. Способ контроля теплофи-
зических характеристик теплоизоляционных материалов / Е.И. Глинкин,
В.Н. Казаков. – 1992, Бюл. № 5.
27. А.с. 458753 СССР, МКИ G01 N 25/18. Способ определения теп-
лофизических свойств материалов / С.З. Сапожников, Г.М. Серых. –
1975, Бюл. № 4.
100