2.3. Измерительная система, реализующая метод неразрушающего контроля
В основе принципа действия данного прибора использованы закономерности регулярного теплового режима [20].
Измерительная система (ИС) состоит из персонального компьютера (ПК), измерительно-управляющей платы, усилителя сигналов (У), измерительного зонда (ИЗ), регулируемого блока питания (БП). ИЗ обеспечивает создание теплового воздействия на исследуемый объект с помощью нагревателя (Н) [5, 9].
Фиксирование температуры в заданной точке контроля осуществляется термоэлектрическим преобразователем (ТП).
При измерениях ИЗ устанавливают контактной стороной на поверхность исследуемого объекта.
Схема ИЗ представлена на рисунке 2.4.
Мощность и длительность теплового воздействия встроенного в подложку ИЗ нагревателя (Н) задаются программно. Регулирующий сигнал поступает на вход операционного усилителя (ОУ), включенного по неинвертирующей схеме. Сигнал с выхода ОУ подается на базу силового транзистора. ОУ поддерживает на выходе блока питания напряжение, равное напряжению регулирующего сигнала.
Распределение температуры на поверхности исследуемого объекта контролируется ТП.
Сигнал с термического преобразователя поступает на вход измерительно-управляющего устройства E14-140-MD, при этом сигнал предварительно проходит через усилитель ZET 410 (У).
Устройство E14-140-MD содержит следующие основные блоки:
1. ARM-контроллер (тип AT91SAM7S256) осуществляет не только управление E14-140-MD, но и поддерживает интерфейсы USB.
2. Коммутатор (К) предназначен для коммутации сигналов c аналоговых входов.
3. АЦП LTC1416 – 14-ти битный АЦП последовательного приближения. Буфер АЦП, хранящий один 14 битный отсчет АЦП в формате 8 + 8 бит с расширенным знаком дополнительного кода.
4. Двухканальный ЦАП (16 бит) работает не только в асинхронном, но и в синхронном режиме (до 200 кГц), имеет большой рабочий выходной ток и нормированные характеристики при воспроизведении переменного напряжения.
ИЗ с круглым плоским нагревателем (рисунок 2.4). Зонд состоит из двух основных узлов: из ячейки 1 и корпуса 2. Ячейка, в свою очередь, состоит из основания 3, разъема 9. С контактной стороны ячейки на поверхности теплоизолятора 4 размещены микротермопары 6, сваренных встык. Нагреватель 5 изготовлен в виде диска. Разъем 9 предназначен для коммутации сенсора с измерительно-управляющей платой E14-140-MD. Между ячейкой и крышкой 10 корпуса расположена пружина 8, которая обеспечивает одинаковое усилие прижима ячейки к поверхности исследуемого изделия, что обуславливает равенство контактных тепловых сопротивлений при каждом измерении. После выравнивания температуры исследуемого изделия и подложки зонда, через нагреватель в течение заданного времени протекает ток, что обеспечивает нагрев исследуемого изделия.
Рисунок 2.4 – Структурная схема измерительной системы.
ИС реализует алгоритмы управления режимами эксперимента с целью контроля температурных характеристик.
ИС реализует алгоритмы управления режимами эксперимента с целью контроля температурных характеристик, алгоритмы определения значений температуры плавления и кристаллизации различных материалов, например, животных жиров [23].
ИС позволяет неразрушающим способом определять температурные точки плавления жиров, что может служить признаком для решения вопроса о происхождении мяса, так как по точке плавления жира можно легко отличить конину от говядины или свинину от мяса собаки.
Разностные ЭДС, полученные на зажимах микротермопар 6, поступают в усилитель ZET 410, а уже усиленные сигналы – на вход измерительно управляющей платы.
2.4. Порядок осуществления измерительных операций
При практическом использовании рассматриваемого метода измерительные операции осуществляют в следующем порядке:
1. Калибровка ИС.
2. ИЗ устанавливают контактной стороной на поверхность исследуемого двухслойного объекта. Для уменьшения влияния контактных термических сопротивлений необходимо обеспечить постоянную силу прижатия ИЗ к объекту исследования.
3. Систему необходимо какое-то время выдержать при одинаковой температуре для выравнивания температуры исследуемого объекта и измерительного зонда.
4. В момент времени, соответствующий началу активной стадии эксперимента, на нагреватель подают постоянную электрическую мощность, что позволяет с достаточной точностью задать постоянную во времени величину теплового потока q = const.
5. На протяжении всей активной стадии эксперимента выполняют измерения во времени значений температуры в точках контроля (центре нагревателя и на расстоянии l от центра) и значений электрической мощности. Разностные ЭДС, полученные на термопарах, усиливаются усилителем. Полученные сигналы преобразуются в аналого-цифровом преобразователе и поступают на персональный компьютер для обработки информации в соответствии с математической моделью метода.
6. Выделяют рабочий участок и определяют его продолжительность. Рабочий участок термограммы характеризуется регуляризацией тепловых потоков (тепловые потоки, проходящие через точки контроля, становятся практически постоянным). Этот участок термограммы будет описываться уравнением прямой.
7. После завершения активной части эксперимента выключают нагреватель и производят обработку полученных данных.
8. Производят вычисление коэффициентов модели, описывающей термограммы на рабочих участках.
9. Определяют теплофизические свойства покрытия или h1 по соотношениям, полученным в результате анализа математической модели объекта исследования.
10. Производят обработку экспериментальных термограмм а) Т1=f(τ), б) Т2=f(τ).
11. Делают заключение о показателях качества (наличии или отсутствии дефекта) в исследуемом объекте.
2.5 Выводы по главе 2
Для повышения точности определения ТФС при НК качества двухслойных материалов исследуется система, состоящая из ограниченного и двух полуограниченных тел.
Для эксперимента была выбрана измерительная схема теплового метода НК качества металлических изделий с ПВХ покрытием. Данная измерительная система реализует алгоритмы управления режимами эксперимента с целью контроля температурных характеристик полимера, выполненного из ПВХ. Выбран для использования круглый плоский источник тепла постоянной мощности, встроенный в измерительный зонд.
3 Свойства материалов, применяемых для изготовления двухслойных полимерно-металлических изделий
3.1 Свойства поливинилхлорида
Поливинилхлорид (ПВХ) относится к термопластичным синтетическим материалам. В зависимости от условий полимеризации образуются продукты различной степени полимеризации с различными физико-химическими свойствами.
Материалы на основе ПВХ вырабатываются двух видов:
с ПВХ совмещается со многими пластификаторами (например фталатами, себацинатами, фосфатами), стоек к окислению и практически не горюч. Поливинилхлорид обладает невысокой теплостойкостью, при нагревании выше 100 ºС заметно разлагается с выделением HCL. Для повышения теплостойкости и улучшения растворимости ПВХ подвергают хлорированию.
Поливинилхлорид является достаточно недорогим в экономическом отношении термопластом, пригодным для широкого применения. Для того чтобы сделать поливинилхлорид пригодным для переработки, обычно добавляют различные целевые применением пластификатора (пластифицированный ПВХ);
без применения пластификатора (не пластифицированный ПВХ).
По внешнему виду товарный ПВХ представляет собой порошок белого цвета, без вкуса и запаха. ПВХ достаточно прочен, обладает хорошими диэлектрическими свойствами. Химическая формула ПВХ (-СН2-CHCl-)n , где n – степень полимеризации.
ПВХ не растворим в воде, устойчив к действию кислот, щелочей, спиртов, минеральных масел, набухает и растворяется в эфирах, кетонах, хлорированных и ароматических углеводородахдобавки (стабилизаторы, смазки, пигменты, модификаторы и т.п.)
Для получения защитных лакокрасочных покрытий используют порошкообразный поливинилхлорид и дисперсии поливинилхлорида в пластификаторе (пластизоли) или смеси пластификатора с органическими растворителями (органозоли). Растворителями служат уайт-спирит, ксилол, толуол, ацетон, бутилацетат [18].
Основное различие поливинилхлорида различных марок состоит в величине средней молекулярной массы, которая характеризуется величиной К - константой Фикентчера.
Наиболее распространенный поливинилхлорид, полученный методами суспензионной или эмульсионной полимеризации, имеет молекулярную массу в пределах 5·104-10·104 (n=800-1600). Он отличается высокой химической стойкостью, устойчив к окислению и практически не горюч, что предопределяет широкое применение в различных областях промышленности [19].
Известный поливинилхлорид имеет константу Фикентчера К=63-65, содержание влаги и летучих веществ 0,4-0,5% по масcе, насыпную плотность 600-700 кг/м3 [32].
Суспензионный поливинилхлорид получают в водной среде в виде суспензии с размером частиц 75-150 мкм. Растворимость поливинилхлорида в органических растворителях при обычной температуре очень ограничена.
4 Имитационное исследование метода неразрушающего контроля
Важнейшим этапом моделирования тепловых процессов является исследование математической модели. От полноты этого исследования во многом зависит эффективность применения математической модели к изучению явления, и, вообще говоря, ее практический смысл.
4.1 Создание задачи
Произведем имитационное исследование с помощью пакета программ Еlcut Student [6].
Программный пакет Elcut – это компьютерная программа для проведения инженерного анализа и двумерного моделирования методом конечных элементов. Компьютерное моделирование и численный анализ в промышленности позволяет избежать дорогостоящих и длительных натурных испытаний, ускоряет, дополняет и иллюстрирует процесс проектирования и разработки, способствует развитию инженерной интуиции. Еlcut может выполнять линейный и нелинейный стационарный тепловой анализ в плоской и осесимметричной постановке. Формулировка задачи основывается на стационарном уравнении теплопроводности с граничными условиями радиационного и конвективного теплообмена.
Для создания задачи и дальнейших расчетов будем руководствоваться следующей последовательностью действий.
Создаем новую задачу (рисунок 4.1).
В диалоговом окне выбираем тип задачи – теплопередача нестационар-ная, класс модели – осесимметричная, расчет – обычный, система координат – декартовая, единицы длины – миллиметры.