6. Тепловой контроль

Тепловой контроль (ТК) основан на взаимодействии температурного поля поверхности объекта контроля с термометрическими чувствительными элементами (ТЧЭ), преобразовании параметров поля в электрический сигнал и передаче его на регистрирующий прибор.

Таким образом, температурное поле поверхности объекта является источником информации об особенностях процесса теплопередачи, которые, в свою очередь, зависят от наличия дефектов.

Принципиальной предпосылкой для применения методов ТК является различие теплофизических характеристик (ТФХ) материалов дефекта и объекта контроля.

Потенциально методы ТК обладают высокой информативной способностью, поскольку ТФХ чутко реагируют на изменение состава вещества и наличие всевозможных несплошностей и инородных включений. Так, например, коэффициенты теплопроводности различных сред различаются в пределах 10^210² Вт/(мК), то есть на 4 порядка.

Активным называется ТК, при котором для нагрева объекта до безопасных для него температур используются внешние источники тепла (нагретый газ, контактные нагреватели, галогеновые нагреватели, струя плазмы, лазерный пучок и др.). В пассивном ТК используется эксплуатационный или технологический нагрев объекта.

По зависимости температуры T от времени t различают стационарный (dT/dt = 0) и нестационарный ТК (dT/dt  0).

По взаимному расположению источника тепла и ТЧЭ относительно объекта различают односторонний (на отражение) и двусторонний (на прохождение) ТК.

Признаком дефекта в методах ТК служит локальный температурный перепад Т на поверхности объекта, пространственно-временная функция которого Т (t, x, y, z) зависит от большого числа факторов, среди которых различают внутренние (ТФХ объекта и дефекта, их форма и размеры) и внешние факторы (температура тела, условия теплообмена, мощность источника тепла, скорость его перемещения относительно объекта в нестационарном режиме).

Количественный анализ задач ТК в общем случае связан с решением нестационарных и стационарных тепловых задач относительно температуры поверхности контролируемых изделий.

При нагреве объекта, в котором дефект (например, несплошность) проводит тепло хуже, чем основной материал (рис. 6.1), температурный перепад Т положителен для поверхности, подвергнутой нагреву, и отрицателен для противоположной поверхности (рис.6.1, б). Иначе можно сказать, что такой дефект оказывает сопротивление тепловому потоку, который, распространяясь вглубь объекта, обтекает дефект по окружающим слоям. При этом в слое до дефекта тепло накапливается, что приводит к повышению температуры на нагреваемой поверхности и понижению температуры – на противоположной.

В случае, если теплопроводность дефекта выше, чем у основного материала, знаки соответствующих перепадов изменяются на противоположные.

Рис. 6.1. Схема одностороннего теплового контроля (а), температуры нагреваемой (Т_н) и противоположной (Т_п) поверхностей контролируемой детали 1 в один из моментов ее нагрева (б) и характерные зависимости температурного перепада Т на нагреваемой поверхности от глубины h залегания дефекта 2 (в) и времени нагрева t (г): 3 – источник тепла; 4 – поток теплового излучения от источника; 5 – собственное излучение детали; Т_А и Т_В – соответственно температуры точек А и В нагреваемой поверхности; t_опт – оптимальный для ТК момент нагрева

Эта модель дефектной ситуации при ТК (рис. 6.1, а и б) отражает основные особенности активного нестационарного ТК:

• локализация температурного перепада в области над дефектом;

• отсутствие резких границ у температурного перепада (рис. 6.1, б);

• зависимость Т от глубины h залегания дефекта (рис. 6.1, в);

• нестационарность процесса, которая заключается в наличии оптимального момента времени t_опт нагрева объекта, когда величина Т максимальна (рис. 6.1, г).

Так, например, в зависимости от условий ТК значения t_опт могут составлять от десятков секунд до нескольких минут для объектов из неметаллических материалов (материалов со сравнительно низкой теплопроводностью) и от нескольких секунд до десятков секунд – для объектов из металлов (материалов с высокой теплопроводностью), что затрудняет ТК последних.

К основным средствам ТК относятся источники тепла (импульсные и непрерывного действия) для нагрева контролируемых объектов и ТЧЭ – главным образом бесконтактные. Действие бесконтактных ТЧЭ основано на регистрации и измерении интенсивности инфракрасного излучения, испускаемого нагретыми объектами.

ТЧЭ, так же, как и источники тепла, могут быть точечными (радиометры и пирометры), а также полосовыми (термопрофили) и площадными (тепловизоры) с оптико-механической системой сканирования поверхности объекта. Чувствительность современных ТЧЭ достигает 0,10,5 К.

К достоинствам ТК относятся бесконтактность, дистанционность, высокое быстродействие обработки информации и возможность одностороннего подхода к объекту. Вместе с тем возможности ТК ограничиваются структурными помехами, вызванными флуктуациями ТФХ объектов контроля. Кроме того, метод неприменим для материалов с очень высокой и очень низкой теплопроводностью.