Раздел 7. Тепловой вид получения информации
Тепловые методы получения информации делятся на инфракрасные и тепловые. Инфракрасное излучение – электромагнитное излучение, которое излучают нагретые тела.
Излучение образуется в результате колебательных и вращательных движений атомов и молекул вещества, температура которого выше абсолютного нуля
(-2730С). Излучение обусловлено колебаниями электрических зарядов вещества и связано с изменением энергетических уровней электронов. Для инфракрасных волн наряду с волновой характерна также корпускулярная природа. Скорость распространения инфракрасных волн, как и всех электромагнитных колебаний, равна скорости света. В прозрачных средах инфракрасные волны (ИК) распространяются прямолинейно и подчиняются обычным законам оптики.
Спектр инфракрасного излучения электромагнитных волн граничит с видимым излучением («лежит за красным цветом») и микрорадиоволнами.
Все объекты излучают инфракрасную энергию. Количество энергии растет с ростом температуры. Очень горячие объекты видны глазом - представьте себе красную спираль плитки; лаву извергаемую вулканом; расплавленную сталь. Излученная энергия- функция температуры.
Ближнее инфракрасное излучение по своим свойствам похоже на видимое, за исключением того, что оно не видно человеческим глазом.
Достоинствами инфракрасного контроля, основанного на исследовании электромагнитного излучения нагретых тел являются: дистанционность (для ИК-систем: тепловизоров, тепловых дефектоскопов), высокая скорость обработки информации; высокая производительность испытаний; высокое линейное разрешение; возможность контроля при одно- и двустороннем подходе к изделию; теоретическая возможность контроля любых материалов; многопараметрический характер испытаний; возможность поточного контроля и создания автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами. В отличие от температурных волн или тепловых полей инфракрасные волны или электромагнитное поле не передаются в среде путем конвекции (в газообразной и жидких средах) или теплопроводности (в жидкой и твердой средах).
Эти волны нельзя называть тепловыми волнами, так как явление нагрева при их распространении возникает при поглощении средой электромагнитных волн, а не за счет теплопроводности (в твердых средах). В этом заключается основное различие ИК-метода от теплового метода, который иногда называют также инфракрасным.
Тепловая энергия передается в средах при наличии температурных градиентов тремя способами:
теплопроводностью (преимущественно, в твердых телах);
конвекцией (в жидких и газообразных средах);
излучением (в газообразных средах и вакууме).
Рис. 7.1. Три способа передачи тепловой энергии в средах
Плотность теплового потока Qcd в твердом теле между точками с различной температурой T1 и Т2 подчиняется закону Фурье:
в интегральном выражении
Qcd,=-X(T2-T1)/Δx;
в дифференциальном выражении
Qcd=-λ(dT/dx).
Следовательно, коэффициент теплопроводности λ, выраженный в Вт/(м-К), определяет плотность теплового потока в твердом теле при градиенте температуры, равном единице, и характеризует режим стационарного теплообмена, поскольку в размерности величины отсутствует время.
Конвекция означает перемешивание теплых и холодных слоев газа или жидкости. Охлаждение (или нагрев) поверхности тела газом или жидкостью описывается законом Ньютона:
Qcv=acv(Ts-Tamb),
где acv - коэффициент конвективной теплоотдачи, называемый в общем случае коэффициентом теплообмена; Ts Татb -соответственно температуры поверхности тела и среды (жидкой или газообразной).
На рисунке эти температуры обозначены через Тs и Тс. Определение acv не является столь строгим, как в случае λ, так как этот параметр описывает не столько материал, сколько взаимодействие двух разнородных сред (геометрию). Отсутствие такого взаимодействия (acv = 0) означает адиабатические граничные условия. В ТК адиабатические условия возникают при испытаниях металлов и тонких неметаллов, в особенности при малом времени контроля.
В интегральном выражении плотность радиационного излучения описывается законом Стефана – Больцмана, который для теплообмена между двумя телами с температурами T1 и Т2 (Т1>Т2) имеет следующий вид:
Qrd = σFgFε(Т4 1>Т4 2).
Методы получения информации о тепловом поле ОК основаны на взаимодействии теплового поля объекта с термодинамическими чувствительными элементами (термопарой, фотоприемником, жидкокристаллическим индикатором и т. д.), преобразовании параметров поля (интенсивности, температурного градиента, контраста, лучистости и др.) в электрический сигнал и передаче его на регистрирующий прибор. Различают:
1)пассивный тепловой контроль;
2) активный тепловой контроль.
Пассивный тепловой контроль не нуждается во внешнем источнике теплового воздействия - тепловое поле в объекте контроля (ОК) возникает при его эксплуатации (изделия радиоэлектроники, энергетическое оборудование, здания, сооружения, металлургические печи и т. п.) или изготовлении (закалке, отжиге, сварке и т. п.).
Активный тепловой контроль предусматривает воздействие внешнего источника теплового воздействия на ОК, имеющий в исходном состоянии температуру окружающей среды.
При использовании тепловых методов дефектоскопия производится на основании разницы в величине теплообмена между соприкасающимися частицами вещества. При наличии дефектов он происходит двумя путями - перенос тепла между частицами исследуемого материала, благодаря наличию контакта между ними, и перенос тепла через дефектную зону, имеющую обычно отличные от основного вещества теплотехнические характеристики.
В тепловых методах отсутствует принципиальная разница в способе создания температурного перепада - охлаждением или нагревом исследуемого участка, однако, чаще используется нагрев, как более легко создаваемый и измеряемый. Нагрев может быть стационарным, изменяющимся по линейному или гармоническому закону, и импульсным. Информативным показателем является изменение перепада температур во времени для различных точек контролируемого изделия.
Регистрирующие устройства (РУ).
В соответствии со сложившейся терминологией РУ температурных полей делятся на контактные и бесконтактные.
Контактные датчики разделяются на две большие группы:
1) термометры (жидкостные, манометрические, термоэлектрические (термопары), термометры сопротивления (термисторы);
2) термоиндикаторы (термоиндикаторные краски, жидкие кристаллы, люминофоры).
Наиболее перспективным направлением является применение устройств бесконтактного действия, в особенности ИК - радиометров (пирометров) и тепловизоров. Особенно важную роль играют тепловизоры. Применение их значительно повышает производительность контроля (до десятков м2 поверхности в час), чувствительность к температурным контрастам (десятые и сотые доли градуса), информативность и наглядность контроля и т. д.
В свою очередь использование ИК- радиометров, хотя и приводит к снижению производительности контроля, позволяет существенно улучшить выявляемость дефектов.
В методе теплового контроля можно выделить три основных направления развития: - тепловую дефектоскопию (ТД);
- тепловую дефектометрию (ТД);
- тепловую томографию (ТТ).
Тепловая дефектоскопия состоит в определении факта наличия дефекта и его расположении в объекте контроля. В настоящее время это наиболее разработанное направление
Тепловая дефектометрия - направление АТНК, представляющее методы и средства количественной оценки глубины залегания дефектов, их толщины и поперечных размеров. С математической точки зрения ТД требует решения обратных теплофизических задач.
Тепловая томография (ТТ) является последующим развитием ТД и состоит в послойном синтезе внутренней структуры объекта контроля на основе использования методов проективной компьютерной томографии.
Процедура теплового контроля включает в себя две операции: тепловое воздействие на контролируемый объект и регистрацию его отклика на воздействие. Необходимо заметить, что нет принципиальной разницы: нагревать изделие при контроле или охлаждать, главное, чтобы его температура не была равна температуре окружающей среды. В отдельных случаях рациональней просто изменить температуру окружающей среды (например, занести ОК в тёплое помещение с мороза или, наоборот, вынести на мороз).
Основными тепловыми методами контроля являются следующие.
Метод нагрева-охлаждения изделия в среде с постоянной температурой
До начала контроля в этом случае изделие термостатируют при какой-либо определенной температуре Т0, а затем помещают в среду с температурой Т1 ≠ Т0 и наблюдают изменение температуры во времени на поверхности изделия.
О наличии и величине дефектов судят по изменению температуры на различных участках изделия или по времени, необходимому для достижения различными участками одной температуры. Для достижения наибольшей эффективности применения этого метода, необходимо, исходя из номенклатуры контролируемых материалов и видов дефектов, подлежащих обнаружению, выбрать одно- или двухсторонний метод контроля, источник тепловой энергии, закон изменения его интенсивности и момент регистрации температуры, в который обеспечивается ее максимальный перепад над дефектной и бездефектной зонами.
Односторонний контроль, т. е. такой, при котором излучатель и приемник инфракрасной энергии располагаются с одной стороны контролируемого изделия, наиболее легок в реализации.
Очевидно, что при таком контроле измерение интенсивности изменения температуры производить не в момент нагрева, а с некоторым запаздыванием, которое необходимо для обеспечения теплообмена нагреваемой поверхности с глубинными слоями.
Аналогичная картина наблюдается при двухстороннем контроле.
При двухстороннем контроле можно достичь больших значений критерия выявляемости Т1, что дает возможность использовать источники с меньшей сосредоточенностью и обнаруживать более мелкие дефекты.
Тепловой зондовый метод. В этом случае тепловой зонд, температура которого замеряется с высокой точностью, вводится в соприкосновение с изделием, температура которого отличается от температуры зонда. О наличии дефектов судят по величине температуры, установившейся на границе раздела зонд-контролируемое изделие, которая зависит от теплофизических свойств изделия.
Метод теплового импульса. При воздействии на небольшой участок контролируемого изделия теплового импульса вокруг участка образуется распространяющееся во все стороны тепловое поле. Измеряя изменение температуры в какой-либо точке, отстоящей на фиксированном расстоянии от места нагрева и находя ее максимум, определяют коэффициент температуропроводности изделия. Дефект определяется по изменению коэффициента температуропроводности.