Реферати українською » Физика » Теплові методи НК


Реферат Теплові методи НК

БІЛОРУСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІНФОРМАТИКИ ІРАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

КафедраЭТТ

>РЕФЕРАТ

На тему:

 

«Теплові методи НК»

 

МІНСЬК, 2008


Залежно від призначення й області застосування теплової НК поділяють на тепловудефектоскопию, безконтактнупирометрию і теплобачення.

Об'єктами теплової дефектоскопії є дефектні структури, містять тріщини, порожнечі, пори, раковини, місцянепровара,непроклея, поганий тепло- іелектроизоляции, неоднорідності складу, сторонні домішки, місця термічного іусталостного перенапруги та інших. дефекти.

Методи теплової дефектоскопії передбачають якісний контроль теплової неоднорідності контрольованих об'єктів. Методи безконтактноїпирометрии використовують із кількісного виміру температури різних об'єктів і процесів.Тепловидение - відносно новий напрям у техніці теплового НК, що використовує різні способи візуалізації теплових полів і зображень.Тепловизионние системи можна використовувати як цілей теплової дефектоскопії, так цілей безконтактноїпирометрии.

 

Класифікація і моделі теплової дефектоскопії

У в основі всіх теплових методів дефектоскопії лежить зв'язок між тепловим потоком від об'єкту і неоднорідністю температурного розподілу з його поверхні, що виникає за наявності недоліків у досліджуваному об'єкті.

Залежно від наявності або відсутність зовнішнього джерела енергії розрізняють активний і пасивний способи теплової дефектоскопії.

Активні способи призначені щоб виявити дефектів типу порушеннясплошности, змін - у структурі та фізико-хімічних властивості об'єктів. Такі дефекти зазвичай називають пасивними, тобто. не що виділяють тепла. Пасивні способи придатні контролю теплових режимів і виявлення активних дефектів, тобто. найінтенсивніше які виділяють теплову енергію.

Залежно від взаємної розташування джерела нагріву,термочувтвительного елемента і об'єкта контролю і навіть послідовності контрольних операцій розрізняють односторонній, двосторонній, комбінований (>таб.1), синхронний інесинхронний способи теплового неруйнуючого контролю. Крім цього способи теплового контролю ділять на статичні і динамічні. І тут визначального чинника є залежність температури об'єкта від часу.

Таблиця 1. Класифікація способів теплового контролю

У завданнях теплового контролю зазвичай досліджують поверхневі температурні поля об'єктів. Визначення внутрішніх температур, зазвичай, важко через непрозорість об'єктів дляИК-излучения. Проте внутрішні температурні неоднорідності, що характеризують дефектність виробів, можна накинути у чисельній вигляді з допомогою моделювання їх у ЕОМ.

Наявність дефектів призводить до локального чи інтегральному спотворення температурного поля, властивого даного вироби. Це виявляється у появі перепадів температури.Пространственно-временная функція цих перепадів визначається температурою тіла, умовами його теплообміну з довкіллям, геометричними ітеплофизическими характеристиками об'єкта контролю та самих дефектів, і навіть часом у динамічному режимі.

Модель активного теплового контролю для виявлення пасивних дефектів представлена на мал.1.

Активний контроль передбачає наявність джерела енергії, яким звичайно є лазерний пучок світла, електронний промінь чи якийсь інший джерело із жвавим локальним впливом у разі синхронного контролю чи інтегральний джерело (>ИК-лампа, електроплитка) длянесинхронного контролю. Внутрішній дефект в багатошаровому виробі надає значний спротив тепловому потоку, який розповсюджуючись вглиб вироби обтікає дефект по оточуючим верствам основного матеріалу. У цьому має місце накопичення тепла в шарі до дефекту і брак в шарі його, що виявляється в локальному підвищенні температури нанагреваемой поверхні «М» і зниженні протилежному нагріванню поверхні «П». Інколи мені кажуть, що дефект відбиває теплової потік на поверхню М і затінює його за поверхні П.

>Рис. 1. Модель активного теплового контролю пасивних дефектів:

1 - генератор; 2 - контрольований об'єкт; 3 - дефект; А – точка локального нагріву; Б - випромінююча точканагреваемой поверхні; X - напрям сканування джерела енергії з локальним впливом; М -нагреваемая поверхню; Z - напрям всередину зразка; П - протилежна поверхню; Т – температура

Прикладом пасивного контролю також є ситуації, коли дефект через ті чи інші причини сам собою маєаномальную проти основним матеріалом температуру, проявляючись лежить на поверхні переважно у вигляді статичного температурного перепаду одного знака. У електронної техніці така модель використовується для дефектів типу пробою, короткого замикання, обриву, зміни номіналу чи енергетичного режиму, витоку струму чи тепла, і навіть на виході з ладу окремих елементів (ІВ, резисторів, транзисторів тощо.).

У пасивному тепловому контролі для виявлення активних дефектів (мал.2) температура об'єкта внаслідок певних технологічних чи функціональних причин перевищує температуру довкілля, і виявлення дефекту можливо через інтегрального відмінностітеплофизических характеристик на місці дефекту і поза ним. Зазвичай, у разі ефективніший динамічний Режим контролю, оскільки за статичному режимі значні ефекти розтікання тепла навколо дефекту.

>Рис. 2. Модель пасивного теплового контролю активних дефектів:

1 - контрольований об'єкт; 2 - дефект;XY - площину поверхні об'єкта; Проте й Б - точки поверхні об'єкта

>Оптическаяпирометрия

Будь-яке тіло з температурою, відмінній від абсолютного нуля, є джерелом теплового випромінювання, обумовленого енергетичними переходами електронів івращательно-колебательним рухом молекул.

При аналізі випромінювання різних об'єктів використовують поняття абсолютно чорного тіла (>АЧТ), чи ідеального випромінювача, який може лише випромінювати власну енергію чи поглинати їх із навколишнього простору.Отражать чи пропускати електромагнітну енергіюАЧТ нездатна.Спектральное розподіл щільності випромінюванняАЧТr (T) було у спільній формі описаноПланком з урахуваннямквантовомеханических поглядів на дискретному характері електромагнітного випромінювання:

,

де - довжина хвилі, T - абсолютна температура,C1,C2 -пирометрические постійні

>C1 = 3,7415*10-16Вт*м2 ;C2 = 1,4388*10-2м*K .

Якщо членexp(C2/T)>>1, то формула Планка наводиться в вираз

 ,

відомим як закон випромінювання Провина. ПриT<3000мкм*K ця формула дає похибка не більше 1%. При великих значеннях T формула Планка то, можливо перетворять на формулуРелея-Джинса:

.

При T >7,8*10мкм*K похибка розрахунків за цією формулою трохи більше 1%.

На графіках спектральною щільності випромінюванняАЧТ (рис. 3) можна побачити, що передвиборне збільшення температури наводить як до підвищення спектральною щільності випромінюванняr , а й супроводжується зміною спектрального складу випромінювання. Зміщення максимуму спектральною щільності до області коротших довжин хвиль відбувається відповідно до Закону усунення Провина:

>maxT = 2898мкм*K,

деmax - довжина хвилі, де спостерігається максимум випромінювання.

Інтегруючи формулу Планка не більше від =0 до = , одержимо вираз для сумарною за широким спектром щільності випромінюванняАЧТ (законСтефана-Больцмана):

>R(T) = T 4Вт/м ,

де =5,67*10Вт/м*K - сталаСтефана-Больцмана.

>Рис. 3. Спектри випромінюванняАЧТ

>АЧТ - наукова абстракція, у природі таке тіло немає. Для реальних ж тіл згадані вище закони випромінювання неспроможні, оскільки розподілуплотностей випромінювання за широким спектром у реальних тіл і вАЧТ різні. Особливо це для газів, які випромінюють в порівняно вузьких шпальтах спектра. Проте в більшості твердих тіл з шорсткими поверхнями, особливо в діелектриків і окислів металів, напівпровідників, розподіл енергії за широким спектром має такий самий характер, як і вАЧТ. Такі тіла називають сірими. Вони характеризуються тим, що безпосереднє відношення спектральнихплотностей випромінювання цих тіл до спектральною щільності випромінюванняАЧТ за тієї ж температурі, зване коефіцієнтом випромінювання (чиизлучательной здатністю), залежить від довжини хвилі.

У принципі, сірих тіл у природі немає. Приміром, в багатьох металів коефіцієнт випромінювання значно зменшується зі збільшенням довжини хвилі, а й у діелектриків, навпаки, збільшується. Однак у обмежених спектральних діапазонах багато тіла з достатньої точністю вважатимуться сірими.

Запровадження поняття «сірого тіла» розширює можливості практичного використати законСтефана-Больцмана, який сірого випромінювача набирає вигляду

>R(T) = 0 T 4 , .

Коефіцієнт випромінювання є безрозмірним і характеризує частку сумарного за широким спектром випромінювання цього матеріалу стосовно випромінюваннюАЧТ за тієї ж температурі. Якщо розглядають не сумарне випромінювання, а випромінювання вузькому області спектра, то коефіцієнт випромінювання називають спектральним і позначають . Закон випромінювання Планка з урахуванням спектрального коефіцієнта випромінювання запишеться як:

.

ДляАЧТ = 0=1; для сірого тіла = 0<1.

Однією з основних законів теплового випромінювання є законКиргоффа

 =  ,

де -коефіцієнт поглинання випромінювання.

На цьому закону слід, що будь-який тіло випромінює у його ділянках спектра, де вона інтенсивно поглинає.

Усі реальні фізичні тіла характеризуються також коефіцієнтом відблиски і коефіцієнтом пропускання . У випадку для тіла, частково пропускає і відбиває випромінювання,

+ + = 1 .

У завданнях теплового НК для непрозорих тіл ( =0) вважатимуться, що

==1- .

Останнє співвідношення часто використовують у оптичноїпирометрии визначення поправки до вимірюваною температурі або компенясації впливу коефіцієнта випромінювання на вимірювану температуру.

Упирометрии зазвичай користуються трьома умовними температурами, несхожими між собою - і від справжнього температури тіла на величину поправки, яка відизлучательной здібності цього тіла.

Радіаційна температура (чи температура повного випромінювання) вимірюється радіаційнимпирометром, яка має перетворювач випромінювання в електричний сигнал чутливий широтою діапазону спектра. Сигнал не вдома цього перетворювача описується закономСтефана-Больцмана. У цьому, радіаційної температурою вважається така температура реального об'єкта, яка дорівнює радіаційної температуріАЧТ, який володіє той самий щільністю випромінювання, як і той реальний об'єкт.

Висновок: оскільки коефіцієнт повного випромінювання реальних об'єктів0 завжди <1, те й радіаційна температура реальних об'єктівTр завжди менше їх істинної температури <>Tи Тобто., якщо вимірюється температура реального об'єкта радіаційнимпирометром,прокалиброванним по еталонному випромінюваннюАЧТ, то результат виміру треба кілька збільшити, щоб правильно оцінити справжню температуру досліджуваного реального об'єкта.Поправочний коефіцієнт, який потрібно помножити результат виміру радіаційної температури, дорівнює .

>Яркостная температура вимірюєтьсяпирометром випромінювання на вельми вузької смузі спектра з ефективної довжиною хвиль >ЭФ і також завжди менше істинної температури реального об'єкта. Електричний сигнал не вдома цьогопирометра описується законом Планка.

Колірна температура (чи температура спектральних відносин) визначається за результатом відносини спектральнихплотностей випромінювання об'єкта щодо різноманітних довжин хвиль. Тобто. це такий температураАЧТ, коли він ставлення спектральнихплотностей випромінюванняАЧТ двома ділянках спектра з ефективними довжинами віл 1 і 2 одно відношенню спектральнихплотностей випромінювання реального об'єкта цих ж ділянках спектра.

Співвідношення між колірної і істинної температурами записується наступного вигляді:

,

де L = 1 2/( 1- 2).

З останнього висловлювання видно, що співвідношення міжTцв іTи не завжди однаковий і від співвідношень між і . Зокрема, якщо > (як в металів), тоTцв>TИ, Якщо ж < (як в діелектриків), тоTцв<TИ (це справедливо при 2> 1, колиL<0).

Для сірих об'єктів, коли = ,Tцв=TИ - це головне перевагою виміру колірної температури сірих об'єктів з їхньої оптичного випромінюванню, і навіть багатьох не сірих об'єктів, спектральний коефіцієнт випромінювання яких змінюється буде в діапазоні спектра, у якому проводять виміри.

 

Прилади теплового контролю

Тепловий контроль відповідно до ГОСТу 23483-79 грунтується на взаємодії теплового поля об'єкта зтермометрическими чутливими елементами (термопарою,фотоприемником, рідкокристалічнимтермоиндикатором тощо.) і перетворення параметрів поля (інтенсивності, температурного градієнта та інших.) в параметри електричного чи іншого сигналу і передачу його на реєструючий прилад.

Залежно від способу виміру температури контрольованих об'єктів із допомогоютермочувствительних елементів методи лікування й прилади теплового контролю поділяють на два класу: контактні і безконтактні (табл. 2).

Найбільшраспространенними нині контактними вимірювачами температури, використовуваними в оцінці теплових полів, є: термопари, металеві і напівпровідникові опору,термоиндикатори.

>Термопарами можна виміряти температуру лише щодо невелику кількість заздалегідь вибраних точок, і, отже, важко сказати області перегріву і локальні зони різкої зміни теплових потоків. При вимірі температуримикроминиатюрних електронних компонентів устрою, службовці реалізації теплового контактутермоприемника з контрольованиммикрообъектом, можуть сильно спотворити його теплове полі внаслідок відпливу тепла потермоелектронам.Термопари ітермосопротивления мають значної теплової інерцією, що призводить до появі динамічної похибки (виміру атмосферного явищабистроменяющихся теплових полів). Недосконалість контактних методів і труднощі цих методів для низки завдань зробили необхідним розвиток методів безконтактного виміру параметрів теплових полів. Методи безконтактного виміру температури тіл з їхньої тепловому випромінюванню називають методамипирометрии випромінювання. Кошти вимірів температури тіл по тепловому випромінюванню прийнято називати пірометрами випромінювання (див. мал.5 - 8).Пирометри застосовуються для виміру температурах дуже широкому температурному інтервалі - від негативних температур (->40оС) до6000оС і від (див. мал.9).

>Рис. 5. Схемияркостного візуальногопирометра з зникаючої ниткою

>Рис. 6. Схемаяркостного фотоелектричногопирометраАПИР-С

>Рис. 7. Схемапирометра спектральних відносин

У сучасному практиці теплового контролю крімпирометров випромінювання, дозволяють вимірювати температуру у будь-якій одній точці контрольованого об'єкта, використовуються прилади, дозволяють досліджувати теплові розподілу одночасно на всю поверхню цього об'єкта. Такі прилади називаютьтепловизорами. У основі всіх приладів безконтактноїпирометрии лежать закони теплового випромінювання.

>Рис. 9. Діапазон температур, реєстрованих контактними і безконтактними приладами теплового контролю


ЛІТЕРАТУРА

1. Давидов П. З. Технічна діагностика радіоелектронних пристроїв і систем. -М.:Радио і зв'язок, 2000. - 256 з.

2. Єрмолов І.Н., ОстанінЮ.Я. Методи і кошти неруйнуючого контролю за якістю:Учеб. посібник дляинженерно-техн. спец.вузов.-М.: Вищу школу, 2002. - 368 з.

3. Технічні кошти діагностування: Довідник / Підобщ. ред.В.В.Клюева. - М.: Машинобудування, 2005. - 672 з.

 4. Прилади для неруйнуючого контролю матеріалів і виробів. - Довідник. У2-х кн./ Під ред.В.В.Клюева - М.: Машинобудування, 2006.

5.Ж.Госсорг. Інфрачервона термографія. Основи, техніка, застосування: Пер. з франц. – М. Світ, 2005. – 416 з.


Схожі реферати:

Навігація