Информационно-измерительные системы неразрушающего контроля теплофизических свойств композитных строительных материалов и изделий с использованием СВЧ-нагрева

Во введении обоснована актуальность темы исследования, степень ее
разработанности, сформулированы цели и задачи работы. Раскрыта научная
новизна, теоретическая и практическая значимость работы. Представлены
методы исследования и положения, выносимые на защиту, проведена оценка
степени достоверности, приведены результаты апробации работы.
В первой главе диссертации описаны классификация и основные прин-
ципы построения ИИС, а также проведен информационный обзор и анализ
существующих систем контроля ТФС строительных материалов и изделий. В
результате информационного обзора установлено, что в последнее время для
контроля ТФС твердых материалов и изделий используются бесконтактные
неразрушающие системы. Основным недостатком известных систем с ис-
пользованием энергии СВЧ-излучения для нагрева исследуемых объектов яв-
ляется осуществление одиночного импульсного воздействия определенной
длительности, что не обеспечивает прогрев большого объема и квазистацио-
нарный режим нагрева исследуемых строительных материалов, которые яв-
ляются, как правило, дисперсными, анизотропными и неоднородными, что
снижает точность определения ТФС исследуемых объектов. В результате
проведенного анализа поставлены цели и задачи исследования.
Во второй главе представлены разработанные микроволновые методы
НК ТФС строительных материалов и изделий.
В первом разделе этой главы описан микроволновый адаптивный метод
НК ТФС строительных материалов и изделий, сущность которого заключа-
ется в следующем. На теплоизолированную от окружающей среды поверх-
ность исследуемого твердого строительного материала 1 воздействуют им-
пульсами СВЧ-излучения с частотой 10…20 ГГц, сфокусированными в ли-
нию заданных размеров 2 рупорной линзовой антенной 3, соединенной с
СВЧ-генератором 4 (рис. 1, а). Значения избыточных температур в точках
контроля измеряют с помощью первичных измерительных преобразователей
(ПИП) 5. Вначале воздействуют одиночным тепловым импульсом с мощно-
стью Q длительностью 0,1…0,2 с. Затем определяют время релаксации, т.е.
интервал времени τимп1 и τимп2 от начала теплового воздействия до момента
времени, когда температура в точках контроля, расположенных на расстоя-
ниях х1 и х2 от линии теплового воздействия, станет равной первоначальной
температуре. Затем увеличивают частоту подачи тепловых импульсов до тех
пор, пока установившаяся избыточная температура в точках контроля после-
довательно достигнет наперед заданных значений Tзад1 и Тзад2 (рис. 1, б), ко-
торые берутся на 20…30% ниже температуры термодеструкции исследуе-
мого материала, определяя при этом частоту следования тепловых импульсов
Fх1 и Fх2 (рис. 1, в). Искомые температуропроводность и теплопроводность
определяют по полученным математическим зависимостям:
n2n1


Tзад2 Fx22 x222
 Tзад1 Fx
2 2
1 x12
i 1 ii 1 i
a; (1)
n2n1 


4 Tзад2 Fx 2 Tзад1 Fx1

i 1 ii 1 i 
QFx 2n2x12 Fx 2
 i exp 
1,
(2)
2Tзад14ai
i 1
где n1 и n2 – количество тепловых импульсов, участвующих в формировании
температурного поля в точках контроля, значения которых определяются с
использованием информации о времени релаксации τимп1 и τимп2.

б)

а)

в)

Рис. 1. Схема микроволнового адаптивного метода НК ТФС
строительных материалов и изделий

Преимуществом разработанного метода является адаптивный поиск ча-
стоты тепловых импульсов для достижения квазистационарного режима
нагрева исследуемых объектов, что позволяет получить усредненные по объ-
ему интегральные значения измеряемых температур и повысить точность
определения искомых ТФС, а также дает возможность применять данный ме-
тод для технологического контроля строительных материалов, которые чаще
всего являются неоднородными, дисперсными и анизотропными.
В целях повышения оперативности разработанного метода предложено
проводить контроль температур при достижении значения избыточной тем-
пературы в точке контроля x1 заранее заданного значения Tзад, фиксируя при
этом значение избыточной температуры Tизм в точке x2 (рис. 1, а). Тогда ис-
комые ТФС определяют по полученным математическим зависимостям:
 n 1  Tзад 2
  x2  x12 
 i 2  T
 изм
a  Fx  i 1 ;(3)
 Tзад n 1
4 1
 Tизм i 1 i
 n 1 x12 Fxn
1
 i 2  ,
QFx
(4)
2Tзад i4a
 i 1i 1
где Fx – частота следования тепловых импульсов.
Для повышения точности за счет устранения влияния на общую состав-
ляющую погрешности доли, вносимой вторым ПИП температуры, предло-
жен второй вариант разработанного метода, отличающийся тем, что кон-
троль значений избыточных температур осуществляют в одной точке на за-
данном расстоянии x1 от линии теплового воздействия при последователь-
ном достижении в ней установившихся значений избыточных температур
двух наперед заданных температур Tзад1 и Tзад2 (рис. 1, б), определяя при этом
частоту подачи тепловых импульсов Fx1 и Fx2 (рис. 1, в), а искомые коэффи-
циенты температуропроводности и теплопроводности определяют по полу-
ченным математическим соотношениям:
n2n1

 i 2  Tзад2 Fx21  i 2
Tзад1 Fx22
x12i 1i 1
an2n1
;(5)

Tзад1 Fx 2 Tзад2 Fx1
i 1 ii 1 i

QFx1n1x12 Fx1 
 i exp 
(6)
.
2Tзад1 i 14ai 
Во втором разделе этой главы описан микроволновый метод НК ТФС
трехслойных строительных конструкций, сущность которого заключается в
следующем. На каждый из теплоизолированных от внешней среды наруж-
ных слоев исследуемой трехслойной конструкции 1 воздействуют электро-
магнитным импульсом СВЧ-диапазона, сфокусированным в линию задан-
ных размеров 2 рупорной линзовой антенной 3 (рис. 2), и контролируют зна-
чения избыточных температур с помощью бесконтактных ПИП темпера-
туры 4. Для того чтобы не допустить прогрева исследуемого наружного слоя
насквозь, задаются глубиной проникновения, не превышающей 2/3 толщины
H исследуемого слоя, и рассчитывают частоту СВЧ-излучения с использова-
нием информации о диэлектрической и магнитной проницаемости исследу-
емого материала. Тепловое воздействие от линзовой рупорной антенны осу-
ществляют под углом θ’ к поверхности исследуемого материала, величину
которого определяют с учетом двумерности распространения теплового по-
тока и угла преломления электромагнитной волны, попадающей из одной
среды в другую. Далее рассчитывают угол Брюстера и определяют, какая
часть энергии Qотр СВЧ-импульса, подаваемого под углом θ’, отразится от
поверхности исследуемого материала. Затем воздействуют тепловым им-
пульсом в течение заданного интервала времени (3…5 с) и контролируют
значения избыточных температур в момент времени τ * с помощью бескон-
тактных ПИП температуры 4.
Рис. 2. Схема реализации микроволнового метода НК ТФС трехслойных
строительных конструкций при определении ТФС наружных слоев

Искомые коэффициенты температуропроводности и теплопроводности
рассчитывают по полученным математическим соотношениям:

x22  x12
a
 
;(7)
 T x1 , *
4* ln 

 T x2 , 
*
 
Q  Qотрa x12 


2T x1 , *  *
exp*
 4a 
,(8)

где T(x1, τ*) и T(x2, τ*) – значения избыточных температур в точках контроля
x1 и x2 соответственно; τ* – момент времени контроля температур; Q – удель-
ная мощность, выделяемая на единицу площади плоскости теплового воз-
действия; Qотр – отраженная мощность.
Для определения ТФС внутреннего слоя на теплоизолированную от
внешней среды поверхность исследуемой трехслойной конструкции осу-
ществляют СВЧ-воздействие через круговую область (рис. 3).
Используя информацию о диэлектрической и магнитной проницаемо-
сти материала верхнего слоя рассчитывают частоту СВЧ-воздействия, при
которой глубина проникновения электромагнитной волны составляет 2…5
мм, при этом тепловому воздействию подвергается приповерхностный слой
исследуемой конструкции, выполняя роль нагревателя. Нагрев энергией
СВЧ-излучения с найденной частотой осуществляют до тех пор, пока на про-
тивоположной стороне исследуемой трехслойной конструкции появится
тепловой поток qx, при этом контролируют величину теплового потока. Имея
информацию о теплопроводности наружных слоев, температуре T1, T2, T3, T4
в плоскостях 1, 2, 3 и 4, искомый коэффициент теплопроводности внутрен-
него слоя конструкции определяется соотношением
q x R2q x R2
2 .(9)
T2  T3  R1 R3 
 T1  q x T4  q x
1  3 
Для определения коэффициента температуропроводности внутреннего
слоя конструкции используют аналитическое решение, имеющее вид
 R 
T2  T3  T R2 ,   x a2  ierfc
2q2 . (10)
2 a  
2 

Рис. 3. Схема реализации микроволнового метода НК ТФС трехслойных
строительных конструкций при определении ТФС внутреннего слоя

Имея информацию о λ и qx и используя известные подробные таблицы
для определения функции кратного интеграла вероятности ierfc z, числен-
ным методом из выражения (10) определяют искомый коэффициент темпе-
ратуропроводности a2.
Преимуществом разработанного метода при определении ТФС наруж-
ных слоев является прогрев исследуемого материала наружных слоев на за-
данную глубину, что позволяет не допустить влияния ТФС внутреннего слоя
на результаты измерений. Кроме того, тепловое воздействие на 2/3 глубины
исследуемого слоя обеспечивает прогрев большого объема исследуемого
материала и получение интегральных по объему ТФС, что позволяет с необ-
ходимой для строительной теплотехники точностью определять теплоза-
щитные свойства материалов, являющихся, как правило, дисперсными, ани-
зотропными и неоднородными. Отличительной особенностью разработан-
ного метода является отсутствие традиционного нагревателя при контроле
ТФС внутреннего слоя и осуществление нагрева поверхности исследуемого
объекта через круговую область СВЧ-излучением. При этом роль нагрева-
теля выполняет приповерхностный слой исследуемой строительной кон-
струкции, что повышает точность определения ТФС за счет исключения
влияния собственной теплоемкости нагревателя, контактного термосопро-
тивления между поверхностями исследуемого материала и нагревателя, со-
стояния поверхности исследуемого материала (шероховатость) и т.д.
Третья глава содержит описание ИИС, реализующих разработанные
методы, а также блок-схемы алгоритмов их функционирования.
ИИС, реализующая микроволновый адаптивный метод НК ТФС строи-
тельных материалов и изделий, представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема ИИС, реализующей микроволновый адаптивный метод НК ТФС
строительных материалов и изделий

После ввода исходных данных Q, x1, x2, Tзад1, Tзад2 по команде компью-
тера 1 через порт ввода-вывода 2 на поверхность исследуемого объекта 3 с
СВЧ-генератора 4 подается одиночный импульс длительностью 0,1…0,2 с,
сфокусированный линзовой рупорной антенной 5 в линию теплового воздей-
ствия 6. По информации с ПИП температуры 7 и 8, поступающей через ком-
мутатор 9 в компьютер 1, определяются интервалы времени τимп1 и τимп2. За-
тем воздействуют на исследуемый объект 3 микроволновыми импульсами,
увеличивая частоту их подачи соответственно разработанному алгоритму до
тех пор, пока установившееся значение избыточной температуры в точке кон-
троля х1 достигнет наперед заданного значения Тзад1. Далее увеличивают ча-
стоту следования импульсов по тому же алгоритму до момента времени, ко-
гда установившаяся контролируемая температура во второй точке контроля
х2 достигнет наперед заданного значения Тзад2. Затем компьютер 1 определяет
частоты следования тепловых импульсов Fx1 и Fx2 и, используя имеющуюся
информацию, рассчитывает искомые значения тепло- и температуропровод-
ности исследуемых объектов и выводит их на монитор 10.
ИИС, реализующая микроволновый метод НК ТФС трехслойных стро-
ительных конструкций, представлена на рис. 5.

Рис. 5. Схема ИИС, реализующей микроволновый метод
НК ТФС трехслойных строительных конструкций

После ввода исходных данных Q, x1, x2, τ*, R1, R2, R3, μ0, μ, γ компьютер
1 рассчитывает необходимую для прогрева 2/3 толщины исследуемого
наружного слоя частоту СВЧ-излучения и угол наклона θ’ рупорной линзовой
антенны 2 к поверхности исследуемого объекта. По команде компьютера 1
через порт ввода-вывода 3 генератор СВЧ-излучения 4 осуществляет тепло-
вое воздействие под углом θ’ с найденной частотой. В заданный момент вре-
мени τ* по команде компьютера 1 ПИП температуры 5 осуществляют кон-
троль значений избыточных температур в двух точках, расположенных на за-
данных расстояниях x1 и x2 от линии теплового воздействия, и через порт
ввода-вывода 3 информация о полученных значениях поступает в компьютер
1, где происходит расчет искомых ТФС наружного слоя. Затем для осуществ-
ления теплового воздействия через круговую область компьютером 1 рассчи-
тывается необходимая частота микроволнового воздействия, информация о
которой подается на генератор 4. После начала теплового воздействия при
передаче на компьютер 1 информации о величине теплового потока с ПИП 6
и температурах на обеих наружных поверхностях в зоне теплового воздей-
ствия с ПИП 5 и 7 по известным соотношениям определяют искомые ТФС
внутреннего слоя, информация о которых выводится на монитор компьютера
1.
В четвертой главе проведен анализ погрешности результатов измере-
ний разработанных ИИС НК ТФС строительных материалов и изделий с ис-
пользованием СВЧ-нагрева. Для разработанных методов контроля ТФС по-
лучены структуры полной погрешности измерений, проведена оценка вклада
каждой компоненты в соответствующую характеристику указанной погреш-
ности и выделены доминанты в составе полной погрешности. Подобный под-
ход создает предпосылки для целенаправленного воздействия на источники
погрешности, а также коррекции результатов измерений.
В заключительном разделе четвертой главы приведены результаты экс-
периментальных исследований разработанных методов и реализующих их
ИИС НК ТФС строительных материалов и изделий на основе метрологиче-
ского эксперимента. Проведенные экспериментальные исследования разра-
ботанных методов подтвердили корректность основных теоретических выво-
дов, положенных в основу их создания, а также эффективность их практиче-
ского применения в области теплофизических измерений.
В заключении приведены основные выводы и результаты работы,
в приложении – акты о внедрении результатов работы и фрагмент про-
граммы имитационного моделирования формируемого температурного поля
при различных частотах следования тепловых импульсов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Проведенный информационный анализ показал, что существующие
в настоящее время ИИС НК ТФС твердых материалов имеют ряд недостат-
ков, таких как, например, прогрев только приповерхностного слоя исследуе-
мых материалов, что снижает точность определения ТФС строительных ма-
териалов, являющихся дисперсными, анизотропными и неоднородными. По-
этому разработка новых ИИС НК ТФС строительных материалов и изделий
с использованием СВЧ-нагрева, устраняющих эти недостатки и обладающих
более высокой точностью измерений, является актуальной задачей.
2. Разработаны защищенные патентами на изобретения микроволно-
вые методы НК ТФС строительных материалов и изделий, позволяющие с
необходимой для технологических измерений точностью определять ТФС
строительных материалов, а именно:
– микроволновый адаптивный метод НК ТФС строительных материалов
и изделий, отличительной особенностью которого является адаптивный по-
иск частоты импульсного теплового воздействия на исследуемые объекты
для достижения в них квазистационарного режима нагрева, при котором осу-
ществляется прогрев большого объема исследуемых строительных материа-
лов, что позволяет повысить точность определения искомых ТФС исследуе-
мых материалов на 5…7% по сравнению с известными методами. Кроме того,
в разработанном методе нагрев исследуемых объектов осуществляется до за-
ранее заданных температур, на 20…30% меньших температуры термоде-
струкции исследуемого материала, что гарантирует сохранение целостности
и эксплуатационных характеристик исследуемых объектов. Преимуще-
ствами предложенных вариантов разработанного адаптивного метода явля-
ются повышение оперативности в среднем на 2…5 мин за счет одновремен-
ного контроля значений избыточных температур в двух точках контроля при
достижении в первой точке контроля заранее заданного значения избыточной
температуры и повышение точности измерений в среднем на 3…5% за счет
осуществления контроля значений избыточных температур в одной точке и
исключения погрешности, вносимой вторым ПИП температуры;
– микроволновый метод НК ТФС трехслойных строительных конструк-
ций, в котором при определении ТФС наружных слоев рассчитывают частоту
СВЧ-излучения, необходимую для прогрева 2/3 толщины исследуемого слоя,
что не допускает влияния ТФС внутреннего слоя на результаты измерений и
позволяет прогреть большой объем исследуемого материала. Учет тепловых
потерь в окружающую среду при осуществлении теплового воздействия под
углом θ’ к поверхности исследуемого наружного слоя позволяет повысить
точность измерений на 3…6%. При определении ТФС внутреннего слоя
нагрев осуществляется через круговую область на поверхности исследуемой
конструкции СВЧ-излучением с частотой, рассчитанной на прогрев 2…5 мм
наружного слоя исследуемой конструкции, таким образом приповерхност-
ный слой исследуемой конструкции выполняет роль нагревателя, что исклю-
чает влияние на результаты измерений контактных термосопротивлений
между поверхностями нагревателя и исследуемого объекта, степени прижа-
тия нагревателя и т.д., и повышает точность определения искомых ТФС в
среднем на 13%. Таким образом, разработанный метод позволяет повысить
точность определения искомых ТФС в среднем на 15…20% по сравнению с
другими известными методами.
3. Разработаны ИИС НК ТФС, реализующие созданные методы и поз-
воляющие осуществлять адаптивный поиск частоты теплового воздействия
на исследуемые объекты, автоматически определять угол наклона рупора ан-
тенны СВЧ-излучения θ’ для осуществления теплового воздействия, прово-
дить расчет искомых ТФС по заданным алгоритмам и вносить алгоритмиче-
скую коррекцию в целях повышения точности конечных результатов. При
разработке ИИС были проведены расчеты основных параметров рупорно-
линзовых антенн, позволяющих создать требуемый для разработанных мето-
дов вид теплового микроволнового воздействия за счет формирования соот-
ветствующих диаграмм направленности.
4. Выполнен метрологический анализ разработанных методов и ИИС с
выделением доминирующих компонентов общей погрешности измерений,
позволяющих определять источники погрешности, информация о которых
дает возможность целенаправленно воздействовать на источники погрешно-
сти, а также вносить поправки в результаты измерений.
5. На строительных материалах с известными ТФС проведены экспери-
ментальные исследования разработанных методов и реализующих их систем,
показавшие корректность основных теоретических выводов, положенных в
основу разработанных методов, и работоспособность созданных на их основе
измерительных систем, позволяющих с погрешностью не более 7…10% опре-
делять искомые ТФС строительных материалов и готовых конструкций, что
обусловливает перспективность применения предложенных методов и
средств в строительной теплотехнике в качестве средств контроля качества
традиционных и вновь разрабатываемых строительных материалов.
6. В результате выполнения диссертационной работы решена научная
задача повышения точности определения ТФС композитных строительных
материалов и изделий.