СПОСОБ ТЕПЛОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА
METHOD OF THERMAL NONDESTRUCTIVE CHECK OF WORKING BODY

Изобретение относится к активному неразрушающему контролю и неразрушающей передаче энергии объектов и может быть использовано для подбора и моделирования неравновесных, термодинамических свойств исследуемой системы через потоки и термодинамические силы, возникающие в ней, для обнаружения внутренних дефектов в рабочих телах с помощью бесконтактных инфракрасных излучателей. Разработанный способ может быть использован для обследования ограждающих конструкций объектов, изделий и образцов всех типов, встречающихся в строительстве и энергетике.
Способ включает бесконтактное неразрушающее тепловое нагружение рабочего тела и неразрушающий контроль его свойств с помощью источников инфракрасного излучения, позволяет отработать режим нагружения (функции потоков и термодинамических сил), дает возможность регистрировать тепловые поля как от самих источников инфракрасного излучения, так и от всех поверхностей рабочего тела посредством проведения тепловизионной съемки и при помощи системы зеркальных отражателей, включает обработку результатов измерений, сравнение энергетических балансов от источников нагрева и рабочего тела, оценку наличия дефектов.
Известны [Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под общей редакцией В.А.Григорьева и В.М.Зорина. 2-е издание, переработанное. Книга 2. Москва. Энергоатомиздат 1988 г., с.128-134] способы измерения и контроля теплофизических свойств объектов - стационарный метод плоского слоя, метод продольного теплового потока, стационарный метод нагретой нити.
Основными недостатками данных способов является функциональная ограниченность, заключающаяся в подаче энергии к объекту, невозможность регулировать и управлять режимами транспортировки энергии, их принадлежность к методам разрушающего контроля объектов.
Известен также способ активного теплового неразрушающего контроля качества объекта, включающий проведение тепловизионной съемки поверхности объекта с помощью регистратора инфракрасного излучения-тепловизора, измерение интенсивности излучения объекта в инфракрасном спектре, оценку наличия дефектов и обработку результатов измерений, осуществляемых на регулярном тепловом режиме путем расчета градиента логарифма интенсивности (см. патент РФ 2235993, кл. G01N 25/72, 2004).
Основным недостатком данного способа является его применимость только в области идентификации дефектов в объекте и отсутствие представлений о свойствах системы, режимах теплосилового нагружения объекта, количестве отдаваемой и получаемой объектом энергии. Недостатком также является функциональная недостаточность способа, заключающаяся в проведении измерений только на стационарном режиме и ограниченный спектр исследуемых объектов (образцов, изделий).
Наиболее близким способом к заявленному изобретению является способ определения теплофизических характеристик материалов, заключающийся в том, что на образец воздействуют импульсным тепловым потоком с помощью источника нагрева и регистрируют температуру поверхностей образца тепловизором, используя для задней поверхности образца зеркальный отражатель, определяют теплофизические характеристики образца после обработки теплограмм с учетом распределения температуры по поверхности образца (см. патент РФ 2224245, кл. G01N 25/18, 2004).
Основными недостатками данного способа является контактная подача энергии вдоль образца по оси Х и нерегулируемость источника нагрева, невозможность контролировать источник нагрева по мощности и подавать энергию по заранее заданной функции. Контактная передача энергии происходит только в определенном, ограниченном диапазоне температур. Наличие контакта между нагревателем и образцом влияет на конечный результат исследования, искажая его.
Целью изобретения является повышение точности и чувствительности методов тепловых измерений, автоматизации, управления и регулирования измерений, применение способа бесконтактной неразрушающей передачи энергии рабочему телу от источников нагрева, подбор, моделирование и неразрушающий контроль неравновесных термодинамических свойств системы через потоки, и термодинамические силы в ней, оценка наличия дефектов в рабочем теле.
Поставленная цель достигается тем, что нагрев рабочего тела происходит при бесконтактном тепловом воздействии регулируемыми и контролируемыми по мощности источниками инфракрасного излучения, работающими по заранее заданной функции, по мере распространения теплового потока посредством тепловизора одновременно фиксируют тепловое изображение всей поверхности рабочего тела с помощью системы зеркальных отражателей, регистрируют тепловое изображение от источников излучения, сравнивают энергетические балансы рабочего тела и источников энергии при заданном режиме нагружения после обработки теплограмм с учетом распределения температуры по поверхности рабочего тела, причем источники теплоты, рабочее тело и зеркальные отражатели могут вращаться в системе координат, имеют n - степеней свободы, определяют и контролируют свойства исследуемой системы и проводят оценку наличия дефектов, находят условия, необходимые для соответствующей функциональной принадлежности рабочего тела в нужном технологическом процессе.
В процессе испытаний производят непрерывный контроль температуры в любой точке поверхности рабочего тела по мере продвижения теплового фронта от области нагрева.
Температурный диапазон при испытаниях гибкий. Он зависит от исследуемых рабочих тел и инфракрасных излучателей и определяется задачей исследования, свойствами источников излучения и материалом потребителя энергии.
На фиг.1 схематично изображено взаимное расположение бесконтактных источников инфракрасного излучения, рабочего тела, тепловизионного приемника излучения и системы зеркальных отражателей, где 1 - источники инфракрасного излучения, 2 - регулятор мощности источников излучения, 3 - рабочее тело, 4 - система отражающих зеркал, 5 - сканер тепловизора, 6 - ЭВМ, 7 - теплограмма.
На фиг.2 для наглядности представлена схема расположения зеркальных отражателей на виде сверху.
На фиг.3 представлена теплограмма поверхности рабочего тела, где Y, Z - геометрические параметры рабочего тела.
На фиг.4 представлено фото устройства, с помощью которого осуществляют заявляемый способ.
Устройство для реализации предложенного способа работает следующим образом. На поверхностях рабочего тела 3 с помощью нескольких бесконтактных источников инфракрасного излучения 1, мощность которых можно регулировать с помощью регулятора мощности 2, подключенных к сети (для электрических излучателей) или работающих автономно, например, на газе (для газовых излучателей) создают тепловой поток. В зависимости от задачи исследований тепловой поток может быть любой наперед заданной функцией во времени и пространстве. По мере распространения теплового потока изменяется интенсивность теплового излучения, исходящего от поверхностей рабочего тела 3. Сканер тепловизора 5 регистрирует инфракрасное излучение как от передней поверхности, ближайшей к сканеру, так и от остальных поверхностей с помощью отражающих зеркал 4, расположенных под углом к оси сканера 5. Также сканер тепловизора регистрирует инфракрасное излучение от самих излучателей 1. Видеосигнал от сканера тепловизора 5 поступает в ЭВМ 6 для хранения информации и дальнейшей обработки.
Тепловизионное изображение представлено в виде отградуированной по цветам спектра теплограммы 7 объекта, цветовая гамма (или оттенки серого цвета) которой соответствует определенным значениям температуры любой точки поверхности рабочего тела 3 в фиксированный момент времени. С помощью ЭВМ 6 значение температуры каждой теплограммы 7 поверхности может быть оценено с точностью до 0,1°С. Таким образом, на теплограмме 7 присутствуют тепловые изображения всей поверхности рабочего тела 3 и изображения от самих источников излучения 1. В итоге имеем объемное решение поставленной задачи.
Поскольку сканер тепловизора 5 воспринимает излучение от каждой отдельной грани рабочего тела 3, не суммируя его, то тепловые изображения различных граней анализируются независимо.
Перемещая зеркала 4 и изменяя их наклон относительно рабочего тела 3 в пределах 40°-45° (от оптической оси сканера), в зависимости от оптической системы используемого тепловизора 5, можно добиться того, что тепловые изображения всех граней будут находиться рядом друг с другом - для сравнения распределения температуры по поверхности и дальнейшего анализа.
Источники излучения 1, рабочее тело 3 и отражательные зеркала 4 вращаются в своих системах координат. Система имеет n-степеней свободы.
Путем обработки теплограмм 7 на ЭВМ 6 можно рассчитать температуру любой точки поверхности рабочего тела 3 на момент времени регистрации данной теплограммы 7.
Теплограммы 7 могут фиксироваться в произвольные моменты времени τ, прошедшие с момента теплового воздействия источниками инфракрасного излучения 1, в зависимости от типа среды, условий и задач исследования. Время испытаний зависит от свойств материала, размеров исследуемого рабочего тела 3, а также от выбранного теплового режима.
Настройку системы на объект осуществляют не только посредством регуляторов мощности 2, но и с помощью ЭВМ 6. Тем самым осуществляется обратная связь.
Достоинством предложенного способа, включающего источники инфракрасного излучения 1, систему зеркальных отражателей 4 и тепловизор 5, является возможность управлять источниками инфракрасного излучения, регулировать их, подавать энергию по заранее заданной функции во времени и пространстве, их бесконтактность с исследуемым рабочим телом 3, визуальное определение местоположения границы теплового фронта всей поверхности рабочего тела 3, одновременный съем информации по всем граням рабочего тела 3, что позволяет решать пространственно-временную задачу, повышение настройки системы на объект исследования, наличие обратной связи, контролируемость процессов, протекающих в системе, определение отклонения потокового энергетического баланса рабочего тела 3 при заданном режиме нагружения, указывающего на изменение свойств (теплофизических, гидродинамических и т.д.) от проектных или принятых за эталон, обнаружение и контроль дефектов в рабочем теле 3, настройка, отработка и восстановление необходимого режима нагружения через потоки и термодинамические силы, вращение источников излучения 1, рабочего тела 3 и зеркальных отражателей 4 в системе координат, наличие n-степеней свободы, оценка наличия дефектов путем настройки и восстановления нужных режимов функционирования системы, оценка влияния анизотропии тепловых свойств на параметры рабочего тела 3, определение условий, требующихся для соответствующей функциональной принадлежности рабочего тела в нужном технологическом процессе.
Определение свойств системы, их контроль и оценку наличия дефектов предложенным способом осуществляют следующим образом. По мере распространения теплового потока от бесконтактных инфракрасных нагревателей 1 (электрических, газовых) на теплограмме 7 происходит фиксация тепловых изображений одной из граней объекта. В процессе испытаний последовательно фиксируют распространение теплового потока на теплограммах 7, информацию о которых сохраняют в памяти ЭВМ 6. Затем проводят обработку результатов измерений с целью определения изменений свойств рабочего тела 3 и выявления дефектов в нем.
Сравнивают энергетические потоки от инфракрасных излучателей 1 с энергетическими потоками от рабочего тела 3 при заданном режиме нагружения после обработки теплограмм 7. Если количество энергии, отданное излучателями 1, не равно количеству энергии, отданной рабочим телом 3, значит нарушен энергетический баланс системы. Затем сравнивают тепловые изображения противоположных поверхностей рабочего тела 3. Если они отличаются в каком-то месте, то в этом месте на рабочем теле изменены его свойства (теплофизические, гидродинамические), что говорит о наличии дефекта.
Например, известна формула для определения коэффициента температуропроводности:
где α - коэффициент температуропроводности,
;
λ - коэффициент теплопроводности,
;
р
С - удельная теплоемкость,
;
ρ - плотность материала,
,
или
р
Из формул следует, что изменение коэффициента температуропроводности может быть вызвано изменением свойств рабочего тела 3: изменением коэффициента теплопроводности λ, удельной теплоемкости С или плотности ρ рабочего тела 3 на определенном участке. В свою очередь, изменение коэффициента теплопроводности λ может быть вызвано изменением потоков в системе.
Исследовав теплофизические и термоградиентные характеристики фрагмента кирпичной стенки (температурные поля, коэффициенты теплопроводности, теплоотдачи, температуропроводности и т.д.) при бесконтактной передаче энергии от инфракрасных излучателей марки ЭЛК 10R, мощностью 1000 Вт каждый, получили, например:
- при использовании термопар на поверхности рабочего тела для съема информации среднеинтегральный коэффициент температуропроводности ;
- при использовании тепловизора для съема информации среднеинтегральный коэффициент температуропроводности
, который более близок к справочным данным, т.е. является более достоверным.