СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ
METHOD 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. Разработанный способ может быть применен в судостроительной и авиационной промышленностях.
Известны способы определения теплофизических характеристик материалов, среди которых определение степени черноты поверхности, основанное на калометрическом методе 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 способы определения теплофизических характеристик с применением дистанционных приборов - пирометров (тепловизоров) (патенты RU №2224245, G01N 25/18, 2004; №2132549, G01N 25/18, 1999). При реализации таких способов осуществляется нагрев исследуемого образца и регистрируется инфракрасное (ИК) поле, образованное на различных сторонах образца. Для наведения оптической системы тепловизоров на образец применяют поворотные зеркала. Приборы измерения располагаются на различных расстояниях от зеркал. По данным измерений параметров ИК поля производят расчет теплофизических характеристик. Таким решениям аналогов присущи недостатки, связанные с влиянием на показания приборов прямого и отраженного излучений фона, а также искажения показаний под влиянием конвективного теплообмена, хотя по патенту RU №2132549 нагрев самого образца термостатирован. Фактически эти решения основаны на регистрации суммарного ИК-излучения, поэтому данные имеют завышенные значения.
Существует способ, наиболее близкий к заявляемому изобретению, взятый за прототип. Он описан в руководстве эксплуатации стационарного ИК-пирометра с цифровой обработкой сигнала "Термоскоп-200". Способ основан на измерении радиационной температуры от площади исследуемого образца материала, на который нанесен слой покрытия (краска, изоляция) с известным значением показателя степени черноты поверхности ε и от участка без покрытия. Сначала прибор направляют на участок с покрытием, а затем на участок образца без покрытия. Путем варьирования величины ε добиваются совпадения значений радиационной температуры. Значение ε, соответствующее этому условию, принимается за искомое.
Для реализации такого способа использовано устройство, содержащее оптическую систему приема ИК-излучения в спектральном диапазоне 8÷14 мкм с возможностью варьирования значений ε, регулировочное устройство, юстировочное устройство для наведения на малоразмерные предметы и систему защиты от отраженного ИК-излучения в виде кожуха с трубой из металла.
Для регулировочного устройства необходимо дополнительное приспособление для крепления, юстировочное рекомендовано к применению для образцов с температурой более 600°C. Защита от отраженного ИК-излучения эффективна 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 влиянию нагрева от окружающих тел и конвективных процессов окружающего 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 способа для условий слабо нагретых тел (в диапазоне естественных изменений температуры), что позволяет предполагать наличие широкого спектра составляющих всего спектрального диапазона и, следовательно, погрешности при выборе конечной величины радиационной температуры. Кроме того, измерения осуществляют для территориально разнесенных участков образца, которые могут иметь различные свойства, характерные для композитных материалов и тонкопленочных покрытий.
Целью изобретения является существенное повышение достоверности определения степени черноты поверхности материалов, которая достигается тем, что с обратной стороны образца создают тепловое поле от источника направленного действия. Параметры поля, как площадь нагрева, координаты его центра площади, остаются неизменными, а температуру изменяют, фиксируют и стабилизируют с высокой точностью. Настройка на положение и размеры площади нагрева источника тепла направленного действия применяется с искусственной ИК-меткой, для идентификации этих параметров и возможности жесткой фиксации положения оптической системы для работы с образцом. На поверхности образца локализуют участок, экранируя его от воздействия внешних помех и потерь тепла наружу в пределах объема, определенного угловыми параметрами оптической системы, длиной трассы излучения и площадью разрешения системы на поверхности в соответствии с расположением и площадью поля источника тепла направленного действия. Параметры оптической системы и надирные углы визирования позволяют установить соотношение площадей разрешения системы и нагрева на регистрируемой поверхности в пользу последней, что обеспечивает измерения с меньшими потерями. При этом контролируют условия измерений температуры воздуха и влажности вблизи образца и обеспечивают учет потерь от формирования скин-слоя образца. Производят регистрацию радиационной температуры образца с покрытием известной степени черноты ε при фиксированных значениях температуры поля источника тепла направленного действия в диапазоне от 20° до 90°C с шагом 10° и при различных значениях ε в интервале от 0,1 до известного значения с шагом 0,1. Для образца с покрытием строят номограммы зависимости радиационной температуры от фиксированных значений температуры источника тепла, предварительно отбраковав данные, не отвечающие условиям измерения. Определяют разброс измеренных значений построением 95% доверительного интервала. Измерения радиационной температуры повторяют для того же участка поверхности образца, в тех же диапазонах температур и значений ε, но без покрытия. Сравнивают значения, отвечающие одним условиям измерений, нанесением показаний без покрытия на области номограмм для образца с покрытием. По попаданию значений для образца без покрытия в область доверительного интервала образца с покрытием определяют искомое значение ε.
Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства, поясняемого на фиг.1-4:
- основные элементы устройства (фиг.1, 2);
- примеры реализации способа и определение искомого значения ε для глянцевой поверхности образца (фиг.3) и матовой поверхности образца (фиг.4).
В состав устройства входит оптическая система 1 (фиг.1) для приема ИК-излучения в спектральном диапазоне 8-4 мкм с возможностью варьирования значения ε, источник тепла направленного действия 2 с излучающей полостью 3 и внутри нее с областью 4, более устойчивой и стабильной температуры, постоянных по площади размеров, ИК-метка 5 с излучающей головкой из кварца, обеспечивающей максимум излучения при нагреве от источника питания и с размерами, подбираемыми по размерам необходимой аномальной области. Защиту от вредного воздействия ИК-фона обеспечивает экран 6 (фиг.2) из гофрированного картона в качестве несущего каркаса 7, покрытого внутри и снаружи углеродной тканью 8. Для герметизации экрана с оптической системой и поверхностью образца 9 предусмотрены гибкие манжеты 10 и 11. Все перечисленные элементы устройства установлены для обеспечения регулирования положения каждого из них и взаимное относительно друг друга с тремя степенями свободы: по высоте H, длине трассы излучения L и углу в горизонтальной плоскости γ (фиг.1).
Все элементы установлены для обеспечения только надирных углов визирования оптической системы и исключения наклона оптической системы и влияние изменения площади разрешения и шероховатости поверхности на показания приборов. Учет потерь тепла на самой поверхности образца обеспечивают датчики температуры воздуха 12 (фиг.2) и контроля влажности 13, установленные в непосредственной близости к месту измерения.
Для спектрального диапазона выбирают оптимальный и практически реализуемый диапазон изменения температуры источника тепла направленного действия от 20° до 100°C, для чего применяют абсолютно-черное тело. Углеродная ткань типа карбон 6K при коэффициенте отражения, близком к 100%, обеспечивает эффективное отражение ИК-излучения фона. Гофрированный картон имеет коэффициент теплопроводности, не превышающий 0,07 Вт/(м·K) и препятствует потерям тепла через экран. Так как процесс контактного теплообмена и испарения постоянно существует, на поверхности образца присутствует скин-слой. Информация 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, а единственным вариантом контроля его динамики может быть контроль температуры и влажности воздуха. Прямая браковка данных и учет измерений являются вариантом учета влияния скин-слоя.
В процессе реализации способа после юстировки жестко фиксируют параметры оптической системы и вместо ИК-метки устанавливают образец с нанесенным на его поверхность покрытием известной степени черноты ε. Обеспечивают жесткий контакт полости источника тепла направленного действия с обратной стороной образца. Нагрев образца создает на регистрируемой поверхности с покрытием область с нагревом большую, чем площадь разрешения оптической системы. По величине зафиксированной трассы излучения выбирают защитный экран и измеряют значение радиационной температуры при фиксированных значениях температуры источника тепла направленного действия и контроле температуры и влажности воздуха. При этом источник обеспечивает стабилизацию температуры области, контролируемой по индикации момента начала и завершения формирования поля. Расчетное время прохождения теплового поля через образец с параметрами, типичными для диэлектриков, колеблется в диапазоне 4-50 с. Экспериментальные данные соответствуют диапазону 60-80 с.
Для обеспечения корректности измерений, позволяющей в пределах 2-3 перерегулирований считать завершенным переходный процесс, регистрацию значений радиационной температуры на поверхности с покрытием начинают не раньше, чем через 2 минуты после завершения формирования поля на обратной стороне образца. Измерения радиационной температуры повторяют для каждого фиксированного значения температуры источника тепла направленного действия и при варьировании показателя ε для покрытия. Нижнее значение температуры соответствует уровню естественного состояния тел, верхнее выбрано меньшим, чем граничное значение источника тепла 100°C. Это определено возможными нелинейностью параметров источника тепла при предельных состояниях, изменением свойств материалов образца и деформацией поверхности. Шаг изменения температуры в 10°C является оптимальным с точки зрения затрат времени одного измерения и статистической обеспеченности измерений.
Повторяют измерения при неизменных параметрах оптической системы того же участка поверхности, но без покрытия. По принадлежности к одним условиям измерений данные отбраковывают и наносят для поверхности без покрытия на номограммы для поверхности образца с покрытием. По попаданию значений для образца без покрытия в область для образца с покрытием определяют значение ε.
Практическая реализация способа осуществлялась с помощью оптической системы тепловизора Fluke Ti 32, имеющего углы поля зрения 23°×17°. В качестве источника тепла направленного действия использовалось абсолютно-черное тело фирмы AGA, обеспечивающего выбранный диапазон температур. Максимальный размер излучающей области составлял 90 мм. По тестовым данным в пределах этой области имелась круглая область диаметром 20 мм со стабильной температурой ±0,15°C, автоматически сохраняемой в течение нескольких часов для каждой заданной температуры. Измерения проводились с образцом из стеклопластика толщиной 1,5 мм. В качестве покрытия образца использовалась изоляционная черная лента с коэффициентом ε, равным 0,95. Измерения проводились при температуре воздуха 25°C и влажности 30%.
рад
нагрева
На фиг.3 приведены номограммы, в виде зависимости радиационной температуры T. от температуры нагрева T, для глянцевой поверхности образца для ε, равного 0,95 и 0,8. По совпадению значений искомое значение ε оказалось равным 0,8. На фиг.4 представлена номограмма аналогичной зависимости для матовой поверхности образца при значении ε, равном 0,95. Результаты измерений для образца без покрытия определили искомое значение ε, равное 0,95.
Использование предлагаемого способа позволит с высокой достоверностью определять степень черноты поверхности композитных и тонкопленочных материалов, сократить трудоемкость измерений, использовать результаты для определения других теплофизических параметров материалов, что определяет существенные преимущества по сравнению с прототипом.