УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE TO DETERMINE EXTENT OF MATERIAL SURFACE BLACKNESS

Изобретение относится к области теплофизики измерений и может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов, в частности, степени черноты поверхности композитных и тонкопленочных покрытий. Разработанное устройство может быть применено в судостроительной и авиационной промышленностях.
Известны устройства для определения степени черноты поверхности, основанные на учете потерь тепла от нагреваемого образца с применением одного или нескольких контактных средств измерения температуры поверхности (патенты RU №2295720, G01N 25/18, 2006; №2192000, G01N 25/00, 2000; №2096770, G01N 25/18, 1994). Как правило, все они имеют общий недостаток из-за потери тепла от контакта датчиков температуры с поверхностью образца и нарушения структуры материала поверхности, а также суммарной погрешности из-за большого числа измерительных элементов.
Существуют устройства определения теплофизических характеристик с применением дистанционных приборов - пирометров (тепловизоров) (патенты RU №2224245, G01N 25/18, 2004; №2132549, G01N 25/18, 1999). При использовании таких устройств осуществляется нагрев исследуемого образца и регистрируется с помощью поворотных зеркал инфракрасное (ИК) поле, образованное на различных сторонах образца. Тепловизоры располагаются на различных расстояниях от зеркал. Недостатки аналогов связаны с влиянием на показания приборов прямого и отраженного излучений фона, а также искажения показаний под влиянием конвективного теплообмена. В таком случае регистрируется суммарное ИК-излучение, завышающее истинное значение степени черноты поверхности.
Существует устройство, наиболее близкое к заявляемому изобретению, взятое за прототип. Его описание приведено в руководстве эксплуатации стационарного ИК-пирометра с цифровой обработкой сигнала "Термоскоп-200". Устройство включает оптическую систему приема ИК-излучения в спектральном диапазоне 8÷14 мкм с возможностью варьирования значений степени черноты поверхности ε, регулировочное устройство, юстировочное устройство и систему защиты от отраженного ИК-излучения в виде кожуха с трубой из металла.
С помощью устройства обеспечивают измерения радиационной температуры последовательно исследуемого образца материала, на который нанесен слой покрытия (краска, изоляция) с известным значением показателя степени черноты поверхности ε и без покрытия. Путем варьирования величины ε добиваются совпадения значений радиационной температуры. Значение ε, соответствующее этому условию, принимается за искомое.
Регулировочное устройство обеспечивает установку, регулирование и фиксацию только оптической системы, а фиксация самого образца не предусмотрена и образец не                                                                                                            ограничен в своей ориентации. Для регулировочного устройства необходимо дополнительное приспособление для крепления, взаимное положение оптической системы и образца может быть неустойчивым и подвержено вибрации. Юстировочное устройство рекомендовано к применению для образцов с температурой более 600°С. Применение кожуха эффективно для защиты от ИК-излучения фона при длине трассы излучения 250 мм. При меньших расстояниях система должна эксплуатироваться без кожуха, а при большей длине трассы остается влияние вредного излучения фона. Кроме того, металлический кожух подвержен сильному влиянию нагрева от окружающих тел и конвективных процессов фона. В прототипе приходится производить наклон оптической системы и менять угол визирования, вследствие чего меняются параметры сигнала (полезная и отраженная составляющие), а также соотношение площади разрешения оптической системы и полезной площади образца. Это может быть причиной неоднозначности показаний при сопоставлении измерений участков с покрытием и без покрытия. Отсутствуют обоснования применимости устройства для нагрева образца в диапазоне естественных изменений температуры, что позволяет предполагать наличие широкого спектра составляющих всего ИК-диапазона и, следовательно, погрешности при выборе конечной величины радиационной температуры. Кроме того, сравнивают различные, территориально разнесенные участки образца, которые имеют различные свойства, характерные для композитных материалов и тонкопленочных покрытий.
Целью изобретения является существенное повышение достоверности определения степени черноты поверхности материалов, которая достигается применением источника тепла направленного действия, обеспечивающего создание теплового поля с обратной стороны образца. Площадь нагрева и ее расположение неизменны. Для настройки положения и размеров площади нагрева источника тепла направленного действия используется искусственная ИК-метка, обеспечивающая идентификацию координат центра площади нагрева, размеров площади нагрева и возможность жесткой фиксации положения оптической системы. Для настройки, юстировки, фиксации оптической системы, а также контроля условий измерений используется виброустойчивое основание под установку мест для оптической системы, ПК-метки, образца, источника тепла направленного действия и датчиков фиксации температуры и влажности воздуха при измерениях. На поверхности образца локализуют участок, экранируя его от воздействия внешних помех и потерь тепла наружу. Параметры оптической системы и надирные углы визирования, обеспечивающие совпадение площадей разрешения оптической системы и нагрева на обратной стороне образца, позволяют в совокупности установить на регистрируемой поверхности образца большую площадь нагрева и провести измерения с меньшими потерями. Датчики температуры и влажности воздуха размещаются в непосредственной близости к контролируемой поверхности образца.
С помощью устройства производят регистрацию радиационной температуры образцов с покрытием известной степени черноты ε при фиксированных значениях температуры поля источника тепла направленного действия в диапазоне от 20° до 90°С с шагом 10° и при различных значениях ε в интервале от 0,1 до известного значения с шагом 0,1. Для образцов с покрытием строят номограммы зависимости радиационной температуры от фиксированных значений температуры источника тепла направленного действия, отбраковав данные, не отвечающие условиям измерения. Определяют разброс измеренных значений построением 95% доверительного интервала. Измерения радиационной температуры повторяют для того же участка поверхности образца, но без покрытия. Сравнивают значения, отвечающие одним условиям измерений, и по попаданию значений для образца без покрытия в область доверительного интервала определенного значения ε образца с покрытием определяют искомое значении ε.
Конструкция устройства представлена на фиг.1÷5:
- элементы устройства, места их установки и сочленения (фиг.1);
- вид регулировочного устройства и детализация устройства вертикального перемещения элементов (фиг.2);
- результаты измерений (фиг.3÷5).
Устройство состоит из корпуса 1, неподвижной пластины 2, 2-х подвижных пластин (левая 3, правая 4) - фиг.1. На правой пластине закреплена прижимная губка 5 с насечкой из мягкого металла для установки и неподвижной фиксации образца. К корпусу с одной стороны приварена горизонтальная пластина 6. Подвижные пластины насажены на горизонтальные регулировочные винты 7, 8 (фиг.2) на левой и правой вертикальных сторонах и упираются в неподвижную пластину. На каждой пластине имеются посадочные отверстия, в которые установлены гильзы 9, 10, 11 с горизонтальными поворотными шайбами 12, 13, 14 (фиг.1).
В отверстие гильзы 9 входит ручка 15, жестко соединенная с корпусом для размещения оптической системы, которая фиксируется посредством конусности отверстия, обеспечивая неподвижность вращения относительно корпуса гильзы. В отверстие гильзы 10 входит струбцина, которая посредством паза на ручке 16 и бортика на внутренней поверхности отверстия гильзы вставляется в гильзу без вращения в горизонтальной плоскости относительно гильзы. К ручке 16 жестко приварены вертикальные зажимы струбцины 17, в которых за счет конусности устанавливается защитный экран 18 в горизонтальном положении. Он выполнен из гофрированного картона, покрытого снаружи и внутри углеродной тканью. С двух сторон на экран насажены уплотнительные эластичные манжеты 19.
Гильза 11 предназначена для насадки и закрепления посредством паза и бортика координатного устройства, в состав которого входит ручка 20 и координатное кольцо 21, на котором установлены с возможностью регулирования вдоль координатных осей три стреловидных указателя 22. Два указателя расположены вдоль горизонтальной оси, а один - вдоль вертикальной оси. Сверху по направлению вертикальной оси в координатное кольцо вмонтирована проходная втулка 23. На боковой поверхности втулки оборудован сплошной паз с шириной, равной внутреннему диаметру втулки, предназначенной для прохода и установки в вертикальном положении устройства для создания ИК-метки. Оно состоит из изолированной нетеплопроводящей трубки 24 и открытой головки ИК-излучателя 25, выполненного из кварца для обеспечения максимума излучения в диапазоне 8-14 мкм. Внутри трубки вмонтированы нагревательные электроды 26.
Длина нетеплопроводящей трубки должна быть не меньше радиуса круга координатного кольца. Размеры открытой головки ИК-излучателя выбирают в соответствии с необходимыми размерами аномальной области. Для фиксации положения ПК-метки предусмотрен стопорный винт 27. Место установки открытой головки ИК-излучателя относительно площади координатного кольца регулируется посредством стреловидных указателей.
Горизонтальная пластина предназначена для размещения и неподвижного закрепления источника тепа направленного действия 28. При установке источника тепла направленного действия его излучающую полость T направляют в сторону оптической системы, а направления горизонтальных осей излучающей полости T и корпуса должны совпадать (фиг.1). Для обеспечения плотного контакта излучающей полости T и поверхности образца плоскость вертикального среза излучающей полости T должна совпадать с вертикальной плоскостью внутренней правой стороны корпуса.
Для размещения датчиков температуры и влажности воздуха и контроля условий измерения вблизи размещения образцов на поверхности горизонтальной пластины, на доступном для крепления датчиков расстоянии от боковой поверхности корпуса источника тепла направленного действия установлены Г-образные пластины 29.
Для обеспечения индивидуальной плавной настройки каждого из элементов в каждом отверстии установлено устройство вертикального перемещения гильз A (фиг.1). Оно состоит (фиг.2) из площадки 30, на которую устанавливается гильза, подшипники 31 микрометрического винта 32, ручки 33 с боковой насечкой и горизонтальными угловыми рисками и направляющими скобами 34 со стопорными винтами 35.
Выбор указанного спектрального ИК-диапазона для определения теплофизических параметров определяется тем, что в нем осуществляется излучение всех тел естественного нагрева. Наблюдение поверхности образца должно производиться при надирных углах визирования для уменьшения влияния окружающих образец нагретых предметов и тел, а также неровности и шероховатости поверхности. Расстояние (трасса излучения) от оптической системы до поверхности образца должно быть минимальным и с учетом параметра угла поля зрения оно определяет площадь разрешения оптической системы. При идеальной поверхности такая площадь имеет форму круга. Регистрацию параметров поверхности целесообразно производить с соблюдением условий, когда площадь разрешения оптической системы меньше, чем аномальная область поверхности.
Применение защитного экрана, покрытого снаружи и изнутри углеродной тканью, позволяет исключать влияние ИК-излучения фона, так как углеродная ткань, типа карбон 6К, имеет коэффициент отражения почти 100%. Материал самого защитного экрана - гофрированный картон дополнительно исключает нагрев объема, поскольку коэффициент теплопроводности картона не превышает значения 0,07 Вт/(м*К). Толщина картона выбирается из условий прочности. Для исключения попадания излучения в местах соприкосновения защитного экрана с оптической системой и с плоскостью поверхности образца применяют эластичные уплотнительные манжеты.
В качестве источника тепла направленного действия использовано абсолютно черное тело с температурным диапазоном 20°÷1000°C. Устройство позволяет регулировать температуру нагрева и при каждом фиксированном значении обеспечивать ее стабилизацию. Целесообразность применения абсолютно черного тела связана с существованием в пределах всей площади сечения излучающей полости нагрева области ядра, где поле наиболее стабильно и однородно по значению температуры. Для создания области нагрева в размерах, превышающих пятно разрешения оптической системы, осуществляют нагрев противоположной стороны образца. За счет распространения тепловой волны с расширением на измеряемой стороне образца получают область, большую созданной первоначально.
Диапазон фиксированных состояний теплового поля равен 20°÷90°C. Нижнее значение соответствует уровню температуры естественного состояния тел, верхнее - выбрано меньшим, чем граничное значение абсолютно черного тела (100°C). Это определено возможной нелинейностью параметров абсолютно черного тела при предельных состояниях, изменением свойств материалов образца и деформацией поверхности. Шаг изменения температуры в 10°C является оптимальным для одного измерения и статистической обеспеченности измерений.
Регулировочное устройство позволяет устанавливать, регулировать и фиксировать положения всех элементов. Корпус регулировочного устройства выполнен весомым и неподвижным, чтобы не происходило случайной вибрации или низкочастотных колебаний от всех элементов. Количество степеней свободы устройств ограничено числом 3, поскольку исключено изменение угла визирования оптической системы наклоном для жесткого соблюдения визирования поверхности в надир.
Так как постоянно существует процесс контактного теплообмена и испарения, на поверхности образца присутствует скин-слой. Основную информацию о тепловых свойствах поверхности образца несет слой толщиной ≈10 мкм, расположенный в пределах скин-слоя. Приборов для прямых измерений параметров этого слоя применительно к твердым материалам не существует, единственным вариантом может быть контроль влажности и температуры воздуха. Прямая браковка данных и учет измерений, соответствующих одним значениям температуры воздуха и влажности, является вариантом учета влияния скин-слоя. Диапазон варьирования параметра ε обеспечивает его моделирование, а шаг 0,1 гарантирует статистическую обеспеченность измерений.
Результаты измерений с применением разработанного устройства приведены на фиг.3÷5 и относятся к образцу из стеклопластика толщиной 1,5 мм.
Наблюдение и измерения радиационной температуры производились оптической системой тепловизора Fluke Ti 32, имеющей углы поля зрения 23°×17°. Источником тепла направленного действия служило абсолютно черное тело фирмы AGA. Максимальный диаметр излучающей полости составлял 90 мм. В соответствии с тестовыми данными в пределах излучающей полости существует область стабильной температуры ±0,15°С, автоматически сохраняемая в течение6 часов для каждого фиксированного значения температуры. Диаметр этой стабильной области равен 20 мм. В качестве покрытия поверхности образца применялась изоляционная черная лента с коэффициентом ε, равным 0,95. Измерения проводились при температуре воздуха 25°С и влажности 30%.
рад.
нагрева
На фиг.3 показаны номограммы изменения радиационной температуры Т глянцевой поверхности образца с покрытием при фиксированных значениях температуры нагрева Т от 20° до 90°C для 4-х значений ε: 0,95; 0,8; 0,75; 0,7.
На фиг.4 приведен пример измерений для матовой поверхности образца с результатом значения ε, равным 0,95.
На фиг.5 показаны примеры измерений для глянцевой поверхности, определившие значение ε, равное 0,8.
Использование устройства обеспечивает устранение влияния излучения фона, потерь при нагреве образца, проведение измерения      с наименьшими потерями и получение более стабильных и качественных показателей, обеспечивающих практическую значимость данного изобретения и дальнейшее его применение для расчета других теплофизических параметров, что выгодно отличает его от прототипа.