Способ измерения профиля температуры в конструкционных материалах

Изобретение относится к области оптической пирометрии и касается способа измерения профиля температуры в конструкционных материалах. Способ включает формирование каналов разной глубины в толщине конструкционного материала и проведение температурного сканирования в подготовленных каналах системой дистанционных инфракрасных пирометров. На основе полученной измерительной информации определяется профиль температуры в образце. Технический результат заключается в повышении точности измерений и обеспечении возможности измерения профиля температуры в многослойных образцах композиционных материалов. 2 ил.

 

Изобретение относится к способам определения температурных полей в конструкционных материалах (КМ) с помощью инфракрасного пирометра и может быть использовано при определении прочностных свойств новых материалов при действии термомеханических нагрузок, в частности в тепловом бесконтактном контроле их состояния.

Наибольшую опасность для элементов ракетной техники представляет тепловое и механическое (термомеханическое) действие нагрузок, в частности рентгеновское излучение ядерного взрыва, которое вызывает нагрев элементов неравномерно по толщине слоев и создает одновременно на поверхности механический импульс давления [1]. В этой связи при экспериментальной отработке элементов конструкций становятся актуальными вопросы определения как теплового состояния образцов перед импульсным нагружением, так и измерения воспроизводимого профиля температуры по глубине КМ. Источниками воспроизводимого нагрева могут быть электронагревательные контактные пластины, КВЧ-излучение, пучок электронов.

Известен способ определения абсолютной температуры термопарой [2]. Недостатком способа является искажающее действие термопары, обусловленное ее высокой теплопроводностью (наличие охлаждающего эффекта).

Известен способ измерения температуры при быстром нагреве несколькими термопарами, установленными в композиционном материале [3]. Недостатком данного способа является то, что способ измерения - контактный, поэтому требуется обеспечение надежного контакта спая термопары с материалом образца.

Известен также способ контроля температуры с использованием пирометра по заявке №2010131724 от 28.07.2010. В способе проводится выборочный контроль температуры на участках наружной поверхности материала тепловой печи с использованием приборов инфракрасного спектра, а затем рассчитывается температура внутренней многослойной стенки тепловой печи с учетом зависимостей коэффициентов теплопроводности материала каждого слоя от температуры. Недостатком данного экспериментально-расчетного способа является то, что он не позволяет регистрировать профиль температуры многослойных (неоднородных) образцов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ, в котором используется сканирующее устройство на основе пирометра для измерения профиля температуры расплавленной или нагретой ленты металла (патент №2024825), содержащее тележку, на которой расположен пирометр, средства измерения и регулирования пирометра, датчики расположения пирометра и автономная система охлаждения. Недостатком прототипа является то, что способ позволяет измерять лишь профиль температуры по поверхности нагретого металла и не обеспечивает регистрацию температуры по толщине материала.

Технический результат предлагаемого изобретения направлен на получение профиля температуры по толщине образца из КМ. Технический результат достигается тем, что в способе измерения профиля температуры в конструкционных материалах формируют каналы разной глубины в толщине конструкционного материала и проводят температурное сканирование в подготовленных каналах системой дистанционного инфракрасного пирометра, а затем по измерительной информации определяют профиль температуры в образце.

Сущность изобретения заключается в следующем: производится одновременно измерение распределения температуры в образце по всей толщине с помощью бесконтактного сканирования на основе системы пирометров.

Схема реализации предлагаемого способа представлена на фиг.1. Первоначально формируются в многослойном образце каналы разной глубины, устанавливается система сканирования пирометров, и бесконтактным способом измеряется температура на дне каналов (точки В, А, С). Измеряемыми параметрами являются дискретные значения температуры по толщине образца. Как правило, многослойные образцы элементов ракетной техники выполняют из композиционных материалов, которые имеют низкую теплопроводность по сравнению с металлами и сохраняют профиль температуры при импульсном нагреве продолжительное время (при толщине Δh=5-10^-3 м и температуропроводности а=10^-7 м²/с характерное время установления равновесного состояния для них составляет $$\tau =\frac{\Delta h^2}{a}\approx 250c$$ ). Считывание температуры в многослойном образце производится перемещением луча одного пирометра по каналам любым из известных способов или системой сканирования пирометров. В способе возможно так же непрерывное температурное сканирование в канале, выполненном в форме углубляющейся борозды по толщине образца. Оптимизация расположения и формы канала проводится в результате конструкторского проектирования системы сканирования (по радиусу, двум координатам, полосам и т.д.). Дальнейшая обработка измерительной информации на ПЭВМ позволяет по замерам построить профиль температуры исследуемого образца.

Реализация разработанного способа проводилась с использованием источника нагрева КВЧ-излучения с несущей частотой 34 ГГц (длина волны 8,8 мм), максимальной импульсной мощностью 3 кВт, длительностью импульса (10-50)·10^-6 с. Измерение температуры проводилось бесконтактным портативным пирометром марки Raytek Raynger MX с характеристиками, представленными в таблице 1.

Таблица 1
Основные характеристики пирометра Raytek Raynger MX
Характеристика	Параметр
Диапазон измерений	-30…900°C
Точность	±0,75% от ИВ в диапазоне 100…900°С
±1°C в диапазоне 0…99°C
Воспроизводимость	±0,5%, но не менее ±1°C
Разрешение дисплея	0,1°C
Спектральный отклик	8-14 мкм
Время отклика	250 мс
Рабочая температура	0…50°C (с лазером до 45°C)
Диаметр сканирования	5 мм

На фиг.2 показаны расчетный и измеренный профили значения температуры в двухслойном образце. Проведенные оценки влияния физических свойств образца (удельной теплоемкости, теплопроводности) и геометрических характеристик каналов (глубины, диаметра) показали, что погрешность, вносимая наличием каналов, лежит в пределах погрешности измерения.

Предлагаемый способ измерения температуры при импульсном объемном нагреве с использованием пирометра повышает точность определения температуры в многослойных образцах композиционных материалов. Особенность заключается в том, что измерение температуры производится по всей толщине образца, что повышает достоверность определения полей температур в конструкционных материалах.

В предлагаемом способе:

1. не вносится дополнительная погрешность в результат измерений, так как отсутствуют датчики, установленные в нагреваемом образце;

2. минимальный диаметр сканирования разных моделей пирометров может составлять единицы миллиметров, а время отклика менее 250 мс, что позволяет повысить надежность измерения при быстром нагреве конструкционных материалов;

3. имеется возможность подключения пирометра к ПЭВМ для быстрого и многократного измерения профиля температуры.

Источники информации

1. Грибанов В.М., Острик А.В., Слободчиков С.С. Тепловое и механическое действие рентгеновского излучения на материалы и преграды // Монография. Физика ядерного взрыва. Т.2. Действие взрыва. М.: Наука, Физматлит, 1997. С.131-195.

2. Способ определения абсолютной температуры термопарой, заявка РФ №94007670 от 20.11.1995.

3. Способ измерения температуры при быстром нагреве несколькими термопарами, патент РФ №2228535 от 10.05.2004.

Способ измерения профиля температуры в конструкционных материалах, включающий предварительную подготовку образца, его нагрев, измерение температуры, отличающийся тем, что формируют каналы разной глубины в толщине конструкционного материала и проводят температурное сканирование в подготовленных каналах системой дистанционных инфракрасных пирометров, а затем по измерительной информации определяют профиль температуры в образце.