СПОСОБ ТЕПЛОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ
METHOD FOR THERMAL NONDESTRUCTIVE CHECK OF THERMOTECHNICAL CHARACTERISTICS OF MATERIALS AND STRUCTURES

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к тепловому неразрушающему контролю объектов, и может быть использовано для технической диагностики неоднородных конструкций, например, зданий и сооружений по сопротивлению теплопроводности.
Из уровня техники известны способы теплового неразрушающего контроля неоднородных многослойных объектов, какими, в частности, являются здания и сооружения см., например, патент РФ №2219534. Для осуществления известного способа определяют временной интервал, необходимый для получения достоверного результата. В течение этого времени периодически измеряют температуру и плотность теплового потока на наружной и внутренней поверхностях объекта. Задают значение теплопроводности нужного слоя. Используя модель, определяют возможную температуру и плотность для каждого заданного значения теплопроводности. Проводят тепловизионное обследование, измеряют температуры внутренних и наружных поверхностей. Сравнивают теоретические и полученные измерением результаты. Выбирают для дальнейших расчетов значение теплопроводности из числа заданных, которое может обеспечить условия сравнения. Способ позволяет определить локальные сопротивления теплопередаче обследуемых участков и найти более рациональное решение по обеспечению требуемого сопротивления, если оно окажется не соответствующим нормативному.
В патенте Японии №9113473 раскрыт способ теплового неразрушающего контроля материалов и определения местоположения дефектов, которые приводят к теплопотере. Согласно этому способу облучают участок исследуемой поверхности, измеряют теплопроводность материала, информацию о распределении температурного поля объекта передают для анализа на устройство термографического контроля и затем на устройство отображения, которое показывает изменения в распределении температурного поля.
Известен способ неразрушающего теплового контроля по патенту США №5292195, согласно которому выбранное количество энергии подается на первый объект, имеющий известную поверхностную структуру. Изображение его запоминается. Затем выбранное количество энергии подается на второй объект и изображение второго объекта также запоминается. Затем производится сравнение изображений для определения различий в поверхностной структуре этих двух объектов.
Известен неразрушающий способ контроля неметаллических материалов по патенту Японии №3154857 путем приложения импульсной температурной нагрузки. Временные изменения нестабильного температурного поля, соответствующие дефекту или повреждению, измеряют и анализируют с использованием инфракрасной камеры и вычислительной системы. Способ обеспечивает высокую точность.
В патенте США 6000844 описано портативное устройство для неразрушающего контроля материала и определения дефектов в его структуре. Средство отображения температурного поля следует на определенном расстоянии от теплового источника и вырабатывает видеоизображение температурных характеристик объекта. Дефекты материала продуцируют отклонения, которые перемещаются со случайной скоростью. Компьютер, усредняя данные по отношению к постоянной скорости, минимизирует шум и улучшает сигнал от дефектов.
В опубликованной заявке США №2002126730 раскрыты система и способ определения поперечной температурной диффузии с использованием температурных импульсов. Разработана математическая модель и программное обеспечение, которые позволяют определить поперечную термодиффузию конечного объекта. Изобретение используется для установления и определения местоположения дефектов, ведущих к теплопотерям.
Все известные способы позволяют определить состояние конструкций и их теплопотери, однако они не применимы для исследования нестационарных процессов, имеющих место в реальных условиях эксплуатации зданий и сооружений.
В Российской Федерации на практике используется способ определения качества объектов по анализу их сопротивления теплопередаче, см. ГОСТ 26254-84. Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций. Введен постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 2 августа 1984 года №127, УДК 624.01.001.006.354 [1]. Описанный здесь способ заключается в создании теплового потока через контролируемый объект, одномоментном измерении величины теплового потока (q) и температуры (Тн, Тв) на противоположных сторонах контролируемого объекта и определении качества объекта по его сопротивлению теплопередаче в соответствии с формулой 1.
Данный метод контроля прост, нагляден, имеет большую производительность. Однако имеет недостаток, который ограничивает область его применения и значительно снижает точность получаемых результатов. Он заключается в том, что в соответствии с классическим определением сопротивления теплопередаче метод применим только при условии стационарного процесса теплопередаче через контролируемый объект. Т.е. только при условии равенства потоков, входящих в объект на одной поверхности (qн) и выходящих (qв) из объекта на другой поверхности: qн=qв=q.
На практике эти условия никогда не соблюдаются. Например, при контроле строительных конструкций, разница температуры наружного воздуха в ночное и дневное время достигает 10-15°С. Это вызывает нестационарные процессы теплопередачи в исследуемых конструкциях и делает метод неприменимым.
Решение этой проблемы предложено в монографии Будадин О.Н. и др. Тепловой неразрушающий контроль изделий. М.: Наука, 2002, с.139-145 [2]. Оно заключается в решении обратной задачи нестационарной теплопроводности в многослойной среде. Метод универсален и в настоящее время находит широкое применение на практике. Однако широкое его применение сдерживается рядом недостатков, которые заключаются в следующем:
- имеется существенная нелинейная зависимость точности получаемых результатов от погрешности входных данных - результатов первичных измерений. Это приводит к необходимости обеспечивать малые значения погрешности результатов первичных измерений, что требует применение специальных измерительных приборов, квалифицированных операторов и т.п. Помимо этого, требуется соблюдение специальных климатических условий при проведении измерений;
- наличие ошибки входных данных может привести к случаю, когда обратная задача не сходится, т.е. будет отсутствовать решение;
- решением обратной задачи, как правило, является не само сопротивление теплопередаче, а величина теплопроводности одного из слоев, обычно слоя с наименьшим сопротивлением теплопередаче - теплоизоляционного слоя;
- в результате решения обратной задачи в силу специфических особенностей математического аппарата и физических принципов получаются, кроме основного решения (глобального минимума функции «невязки»), несколько локальных минимумов (ложных решений). Это приводит к необходимости выбора нужного «истинного» решения на основе других дополнительных входных данных и др.
Предлагаемый способ теплового неразрушающего контроля направлен на устранение перечисленных недостатков. Технический результат, достигаемый при его использовании, заключается в повышении достоверности определения качества исследуемого объекта и расширении области применения.
Поэтому наиболее простым и надежным способом определения сопротивления теплопередаче являлся бы способ его определения на основе формулы (1) при определении температуры и теплового потока в стационарных условиях, т.е. совмещение использования формулы (1) с нестационарными условиями теплопередаче в ограждающих конструкциях.
Этому и посвящен заявляемый способ.
Заявленный способ заключается в следующем.
1. Измеряют средние значения температуры Тн.ср, Тв.ср и теплового потока qн.cp, qв.cp на наружной и внутренней поверхностях в точке с координатами (х0, у0) последовательно в нескольких интервалах времени {τi,τi+Δτi} в течение каждого интервала времени,
- последовательно изменяют величину (Δτi) и начала (τi) временных интервалов, в течение которых производятся измерения,
- фиксируют те временные интервалы (τj, Δτk) и измеренные средние значения температуры Тн.cpj, Тв.cpj и теплового потока qн.cpj, qв.cpj, в которых данные величины отличаются на величину, не превышающую заранее заданной погрешности ΔТнmax, ΔТвmax, Δqнmax, Δqвmax,
- определяют сопротивление теплопередачи (R) контролируемого участка поверхности исследуемого объекта:
R(x0,у0)=q(τj,Δτk)/|(Тн.ср(τj,Δτk)-Тв.ср(τj,Δτk)|
- определяют термическое сопротивление по всей поверхности исследуемого объекта в произвольных координатах (х,у):
R(x,y)=aT(x,y)+b,
где
а=[R(x01,y01)-R(x02,y02)]/[T(x01,y01)-Т(х02,у02)]
b=R(x01,y01)-aT(x01,y01).
2. Величину временного интервала регистрации температуры оценивают посредством зависимости, полученной теоретико-экспериментальным путем по анализу температурных историй на различных поверхностях в течение года.
Физический смысл зависимости, см. фиг.1, достаточно очевиден.
При небольших временных интервалах в течение суток (до 0,2 часа) температура изменяется на небольшую величину, поэтому разность средних значений температур будет небольшая. Далее, в течение суток (интервал времени до 24 часов) достигается наибольшее изменение температуры (например, разница температуры между ночной температурой и дневной) и разность средних значений температуры на интервале будет значительна. В течение больших интервалов времени (до 3-5 суток) происходит усреднение температуры на интервалах, разница температур ночной и дневной усредняется и разность величин среднего значения температуры на интервалах уменьшается. Далее начинают играть все большую роль сезонные колебания температуры и разность среднего значения температуры на интервалах опять увеличивается.
С точки зрения математического описания процесс измерения температуры и теплового потока можно описать следующим образом.
Измерение величин теплового потока qн(τ), qв(τ) и температуры Тн(τ), Тв(τ) производят в точке поверхности с координатами (х0,у0) в течение такого интервала времени Δτ, которое удовлетворяет нижеприведенной системе неравенств и определяется посредством решения данной системы неравенств:
В приведенной системе неравенств использованы следующие обозначения:
τ - текущее время,
Δτ - интервал времени измерения величин qн(τ), qв(τ), Тн(τ), Тв(τ),
Δτi - переменная величина интервала измерений,
i - номер текущего интервала измерения величин,
imax - максимальный номер текущего интервала измерения величин,
Δτj - переменная величина интервала измерений,
j - текущая величина количества интервалов измерений,
jmax - максимальный номер количества интервалов измерений,
τmax, τmin - окончание и начало временного интервала температурной истории и истории теплового потока,
Тн.ср(τ∈Δτi) = среднее значение температуры на наружной границе в интервале Δτi,
Тв.ср(τ∈Δτi) = среднее значение температуры на внутренней границе в интервале Δτi,
qн.ср(τ∈Δτi)=среднее значение теплового потока на наружной границе в интервале Δτi,
qв.ср(τ∈Δτi)=среднее значение теплового потока на внутренней границе в интервале Δτi,
ΔТнmax - максимальный допустимый интервал изменения температуры на наружной границе,
ΔТвmax - максимальный допустимый интервал изменения температуры на внутренней границе,
Δqнmax - максимальный допустимый интервал изменения теплового потока на наружной границе,
Δqвmax - максимальный допустимый интервал изменения теплового потока на внутренней границе.
Технический результат, получаемый при использовании изобретения, заключается в:
- обеспечении возможности определения сопротивления теплопередаче непосредственно по результатам прямых измерений температуры и теплового потока без привлечения в качестве математического аппарата математических моделей нестационарной теплопередаче ограждающих конструкций с дефектами, необходимых для решения обратной задачи, которые используются в прототипе;
- обеспечении возможности определения сопротивления теплопередаче объекта, т.е. определять качество объектов в реальных климатических условиях эксплуатации, т.е. в условиях нестационарного процесса теплопередаче;
- снижении требований к погрешности входных данных, что сразу повышает технологичность метода, расширяет область его применения, снижает требование к квалификации операторов, повышает производительность контроля;
- обеспечении определения непосредственно самого сопротивления теплопередаче. Это важно в тех случая контроля, когда не известна структура объекта, его геометрические и теплофизические характеристики.
- исключении областей «отсутствия решений»;
- простоте реализации, не требуется больших вычислительных мощностей и сложного математического аппарата.
Сущность изобретения и возможность достижения технического результата будут более понятны из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где:
на фиг.1 приведен график температурной истории (значения температуры) на поверхности ограждающей конструкции, полученный в течение 4,5 суток,
на фиг.2 приведена функциональная схема контроля,
на фиг.3 - термограммы контролируемой поверхности,
на фиг.4 - график оценки величины интервалов временных температурных историй,
на фиг.5 - структурная схема проведения экспериментальных исследований,
на фиг.6 приведены данные экспериментальных исследований процесса теплопередачи через пластину,
на фиг.7 - результаты обработки экспериментальных измерений.
Контроль осуществляется следующим образом.
Тепловизионная система 1 размещается перед контролируемой поверхностью на расстоянии, обеспечивающем:
- во-первых, одновременное наблюдение максимальной площади контролируемой поверхности 2 с учетом поля обзора 3 тепловизионной системы 1,
- во-вторых, достоверную регистрацию минимального по размерам локального участка изменения температуры (возможного дефектного участка) поверхности контролируемой поверхности 4.
При этих условиях расстояние (S) от тепловизионной системы до контролируемой поверхности 2 определяется следующим образом:
S≥Адеф/(2Ntg(γ/2)),
Адеф - характерный размер участка с локальным изменением температуры (дефектный участок),
N - коэффициент, определяющий достоверность регистрации локального участка (обычно на практике принимают N=3-10),
γ - угол мгновенного линейного поля зрения оптической системы тепловизионного прибора (6) (угловая разрешающая способность, обычно, на практике, γ=5-10 угл. мин),
tg - тригонометрическая функция «тангенс».
После регистрации температурного поля (фиг.3) тепловизионной системой 1 контролируемой поверхности 2 на контролируемой поверхности выбираются реперные точки. Выбор реперных точек осуществляется по критерию не превышения изменения значения температуры на определенной площади поверхности не более заранее заданной величины (например, 5-7%). На контролируемую поверхность 2 в выбранных реперных точках (зонах) устанавливают микропроцессорные контактные датчики измерения температуры 5 для регистрации температурных историй и микропроцессорные датчики измерения теплового потока для периодической регистрации значения теплового потока 6.
Посредством микропроцессорных датчиков температуры осуществляется измерение температурных историй внутри некоторого временного интервала. При изменении временного интервала производится определение среднего значения температуры внутри интервала и сравнение данного значения с средним значением температуры в других временных интервалах.
При выполнении условий (формула 2) делается заключение о стационарности процесса теплопередачи в данном временном интервале.
Для определения интервала измерения временных историй температуры и теплового потока были исследованы закономерности и построены зависимости относительной разности средних значений температуры и теплового потока от величины интервала измерения и, соответственно, усреднения.
В качестве примера, на фиг.4 приведен график, построенный по результатам исследований.
Из фиг.4 видно, что по критерию температурной временной истории с учетом тепловой инерции исследуемого объекта минимальная разность между временными интервалами достигается при величине временного интервала, равном ориентировочно 120 час (около 5 суток). Таким образом, для обеспечения необходимой достоверности результатов контроля необходимо измерение и обработку информации необходимо проводить на указанном выше временном интервале.
Далее определяют сопротивление теплопередаче (R) контролируемого участка поверхности исследуемого объекта в реперной зоне:
R(x0,у0)=q(τj,Δτk)/|(Тн.ср(τj,Δτk)-Тв.ср(τj,Δτk)|
Определяют термическое сопротивление по все поверхности исследуемого объекта в произвольных координатах (х,у):
R(x,y)=aT(x,y)+b,
где
а=[R(x01,y01)-R(x02,y02)]/[Т(х01,у01)-Т(х02,у02)]
b=R(x01,y01)-aT(x01,y01).
При необходимости определяют приведенное сопротивление теплопередаче по известным формулам.
Экспериментальные исследования способа проведены на образце материала с известными геометрическими и теплофизическими параметрами. Для создания процесса нестационарной теплопроводности использовалась климатическая камера.
Схема проведения экспериментальных исследований показана на фиг.5, на фиг.6 и фиг.7 приведены результаты экспериментальных исследований в виде графиков. Экспериментальная установка включает
7 - герметичную оболочку с теплоизолирующими стенами;
8 - исследуемый объект;
9, 10 - аппаратуру создания заданного температурного, влажностного и ветряного режимов, например холодильник;
11 - тепловизионную систему ИРТИС-2000;
12 - систему распределения температурного, влажностного и ветряного режимов по рабочему объему камеры, например вентилятор;
13 - комплект датчиков измерения температурного, влажностного и ветряного режимов по рабочему объему камеры;
14 - контроллер №1 - сбора многоканальной информации и управления температурным, влажностным и ветряным режимами по рабочему объему камеры;
15 - контроллер №2 - сбора многоканальной информации и управления системой регулирования распределения температурного, влажностного и ветряного режимов по рабочему объему камеры;
16 - контроллер №3 - сбора многоканальной информации;
17 - контроллер №4 - сбора информации видеоизображения температурных полей и управления тепловизионной системой;
18, 19 - микропроцессорные вычислительные системы;
20 - системное и прикладное программное обеспечение сбора, обработки и управления многоканальной информацией;
21 - первичные преобразователи (датчики) температуры и теплового потока.
Комплекс работает следующим образом.
Исследуемый объект 8 устанавливается в климатическую камеру 7. С помощью устройств 9, 10, 12 в камере создается требуемый температурный, влажностной и ветряной режимы. Характеристики режимов задаются микропроцессорной вычислительной системой 18 через контроллер 14 посредством программного обеспечения 20. Контроль за режимами в камере осуществляется посредством датчиков 13 микропроцессорной вычислительной системой 18 через контроллер 15. Программное обеспечение 20 позволяет имитировать в климатической камере режимы различных климатических зон планеты. На контролируемом объекте 14 устанавливаются датчики температуры и теплового потока 21 в необходимом количестве. Результаты измерений температуры и теплового потока от датчиков 21 через контроллер 16 поступают в микропроцессорную вычислительную систему 19, где производится их обработка по алгоритмам посредством программного обеспечения 20. При необходимости по результатам показаний датчиков 21 производится корректировка программ управления температурными, влажностными и ветровыми режимами климатической камеры. Температурное поле поверхности контролируемого объекта 8 регистрируется тепловизионной системой 5 ИРТИС-200МС с заданной временной периодичностью, температурным и геометрическим разрешением. Управление работой тепловизионного комплекса 11 осуществляется микропроцессорной вычислительной системой 19 через контроллер 17 посредством программного обеспечения 20. При необходимости режимы регистрации температурных полей тепловизионным комплексом 11 корректируются в процессе проведения контроля. Окончательно результаты контроля обрабатываются микропроцессорной вычислительной системой 19.
В качестве эталонного образца для экспериментальных исследований использовалась пластина из пенопласта со следующими характеристиками:
- толщина - h=0,04 м,
- теплопроводность - δ=0,08 Вт/(м×град).
Расчетное значение сопротивления теплопередаче составляет
2
Rр=h/δ=0,5 (м·град)/Вт
Определенное значение сопротивления теплопередаче, полученное согласно предлагаемому способу, лежит в диапазоне:
2
Rэ=1,497…1,504 (м·град)/Вт для различных моментов времени совпадения тепловых потоков (см. Фиг.2).
Таким образом, относительная ошибка результатов измерений составляет менее 0,3%, что лежит в пределах ошибки измерения.
Таким образом, проведенные исследования подтверждают эффективность предлагаемого способа и его возможность практической реализации.
Результаты исследований и сравнение результатов экспериментальных исследований со способами контроля, принятыми в качестве прототипа и аналога, приведены в таблице.
№ пп
Параметр
Численные значения параметра
Способ по предлагаемому изобретение
Способ - ближайший аналог
Способ - аналог
1
2
3
4
5
1
Определение сопротивления теплопередаче
Оперативный точный метод
Путем решения обратной задачи - метод трудоемкий и неоднозначный
Контроль без учета нестационарности процесса погрешность до 100%
2
Погрешность результатов контроля
Не более 7% (возможно снижение погрешности до 4%)
До 15% (снижение погрешности практически невозможно)
До 100% (снижение погрешности принципиально невозможно)
3
Однозначность получаемых результатов контроля
Метод обеспечивает единственность решения (результата)
Возможно (вероятность 30%) вторичные решения - локальные минимумы
Метод обеспечивает единственный результат, но с недопустимой погрешностью (100%)
4
Необходимая погрешность входных данных
До 20%
До 5%
До 5%
5
Квалификация оператора
Средняя и низкая (на уровне среднетехнического образования)
Высокая (один из операторов - расчетчик должен иметь высшее образование)
Не определяется
6
Производительность контроля
Съем информации - 3-7 дн. Расчет - 1 час
Съем информации -3-7 дн. Расчет - 1 день
Не определяется
7
Трудоемкость контроля
2 чел. (съем информации и расчет)
3 человека: 2 чел. - съем информации, 1 чел. - расчет
Не определяется
8
Достоверность определения показателя назначения
Не менее 0,99 (определяется погрешностью входных данных)
0,7-0,85 (определяется погрешностью входных данных, градиентом метода «невязки», наличием локальных минимумов и т.п.)
Не определяется
9
Вероятность отсутствия решения
Отсутствует
Имеется вследствие величины погрешности входных данных
Не определяется
10
Вычислительные мощности и сложность математического аппарата
Низкие
Высокая из-за необходимости решения обратной задачи нестационарной теплопроводности
Не определяется
Применение заявленного способа контроля позволяет:
- определять сопротивление теплопередаче объекта, т.е. определять качество объектов в реальных климатических условиях эксплуатации, т.е. в условиях нестационарного процесса теплопередаче;
- снизить требование к погрешности входных данных, что сразу повышает технологичность метода, расширяет область его применения, снижает требование к квалификации операторов, повышает производительность контроля, обеспечивает определение непосредственно самого сопротивления теплопередаче. Это важно в тех случая контроля, когда не известна структура объекта, его геометрические и теплофизические характеристики.
- способ не имеет областей «отсутствия решений»;
- способ прост в реализации, не требует больших вычислительных мощностей и сложного математического аппарата.
Подтверждено, что предлагаемый способ обеспечивает следующие технические преимущества перед его аналогами и прототипами:
- позволяет оперативно оценить качество контролируемых объектов, регистрировать это для оформления юридических документов (акта приемки-сдачи работ субподрядных организаций и т.д.) и последующего анализа причин несоответствия фактического состояния объектов их нормативным значениям и сокращает время ремонта, например, за счет сокращения сроков оперативного контроля качества ремонта, и повышает качество ремонта за счет повышения ответственности исполнителя работы;
- значительно повышает (до 99%) достоверность результатов контроля технического состояния строительных объектов (выявления дефектов и энергоэффективность);
- снижает возможность аварий строительных конструкций (нет данных) за счет своевременного выявления дефектов;
- повышает надежность эксплуатации строительных объектов (с последующим выходом на определение остаточного ресурса и рекомендации по повышению надежности эксплуатации);
- обеспечивает прогрессивное развитие бесконтактных способов контроля и автоматизации выявления (диагностики) дефектов в строительных конструкциях.