Главная Обратная связь

Дисциплины:






Физические основы теплового метода контроля. Источники тепловых потоков, законы теплопередачи, поля температур. Индикаторы тепловых полей. Пирометры. Визуализация тепловых полей.



Общие сведения. В тепловых методах неразру­шающего контроля ТНК используется тепловая энергия, распространяющаяся в объекте контроля. Температурное поле поверхности объекта является источником инфор­мации об особенностях процесса теплопередачи, кото­рые, в свою очередь, зависят от наличия внутренних или наружных дефектов. Под дефектом при этом понимается наличие скрытых раковин, полостей, трещин, непроваров, инородных включений и т.д., всевозможных отклонений физических свойств объекта контроля ОК от нормы, нали­чия мест локального перегрева (охлаждения) и т.п.

Различают пассивный и активный ТИК. При пас­сивном ТНК анализ тепловых полей изделий производят регистрацией их собственного теплового излучения. Ак­тивный ТНК предполагает нагрев объекта внешним ис­точником энергии.

Основной характеристикой температурного поля, являющейся индикатором дефектности, служит величина локального температурного перепада. Координаты места перепала, его рельеф или, иными словами, топология температурного поля и его величина в градусах являются функцией большого количества факторов. Эти факторы можно подразделить на внутренние и внешние. Внут­ренние факторы определяются теплофизическими свой­ствами контролируемого объекта и дефекта, а также их геометрическими параметрами. Эти же факторы опреде­ляют временные параметры процесса теплопередачи, в основном, процесса развития температурного перепада. Внешними факторами являются характеристики процес­са теплообмена на поверхности объекта контроля (чаше всего величина коэффициента конвективной теплоотда­чи), мощность источника нагрева и скорость его пере­мещения вдоль объекта контроля.

Основным информационным параметром при ТНК является локальная разность температур между дефектной Тд и бездефектной 7д областями объекта AT ■ ТА - Гд. Знак перепада зависит от соотношения теплофизических свойств дефекта и изделия и исследуе­мой поверхности. При нагреве изделий, содержащих де­фекты, плохо проводящие тепло (типа газовых включений), перепад положителен для поверхности, подвергну­той нагреву (т.е. место дефекта характеризуется локаль­ным повышением температуры), и отрицателен для про­тивоположной стороны. В случае дефекта, проводящего тепло лучше основного изделия (металлические вкрап­ления), знак перепада изменяется на обратный.

Временной ход перепада характеризуется кривой с максимумом. Это заставляет в каждом конкретном слу­чае оптимальным образом выбирать момент регистрации температурного перепада tm. Величина tm зависит от теп­ло- и температуропроводности изделия и дефекта и глу­бины залегания дефекта . Момент наступления макси­мального перепада и глубина залегания дефекта обычно связаны линейной зависимостью, причем угол наклона соответствующей прямой зависит от теплофизических свойств изделия и дефекта. Чем более теплопроводно изделие, тем меньше величина tm. В зависимости от типа материала и глубины залегания дефекта величина для металлов колеблется от долей секунд до десятков секунд, для неметаллов она может составлять десятки минут.



Существуют несколько источников тепловых излучений .1. Плазмотронный нагреватель (Источник нагрева теплового дефектоскопа, основанный на взаимодействии плазменной струи с объектом контроля). 2. Индукционный нагреватель (Источник нагрева теплового дефектоскопа, основанный на взаимодействии электромагнитного поля). 3. Инфракрасный излучатель(Источник нагрева теплового дефектоскопа, основанный на генерации инфракрасного излучения и фокусировки его в данном направлении). 4. Образцовый излучатель (Источник теплового излучения, близкий по параметрам к черному телу, предназначенный для калибровки теплового дефектоскопа). 5. Вихревая труба теплового дефектоскопа (Источник нагрева теплового дефектоскопа, основанный на взаимодействии нагретых газовых потоков с поверхностью объекта контроля).

Несколько законов теплопередачи.

Закон Планка устанавливает зависимость спектральной интенсивности излучения абсолютно черного тела Joλ от длины волны и температуры: , (11.12).где λ — длина волны излучения, м; Т — температура излучающего тела, К; c1=3,74·10-16 Вт·м2; c2=1,44·10-2 м·К; e – основание натуральных логарифмов. Анализ выражения (11.12) показывает, что при λ=0 и λ=∞ Joλ=0, а при некотором промежуточном значении - имеет максимум. Для всех длин волн интенсивность излучения тем выше, чем выше температура. Максимумы кривых с повышением температуры смещаются в сторону более коротких волн. 2.Закон Стефана — Больцмана. Плотность потока собственного интегрального излучения абсолютно черного тела можно найти на основании закона Планка как суммарную энергию излучения тела по всем длинам волн . (11.13)

В результате интегрирования найдём , (11.14)

где с0=5,67 Вт/(м2·К4) — коэффициент излучения абсолютно черного тела. Индекс «О» указывает на то, что рассматривается излучение абсолютно черного тела. Этот закон опытным путем найден Стефаном и теоретически обоснован Больцманом задолго установления закона Планка.

Спектры излучения реальных тел отличны от спектра излучения абсолютно черного тела. При этом спектральная интенсивность излучения тела на любой длине волны никогда не превышает соответствующую спектральную интенсивность излучения абсолютно черного тела. В случае селективного спектра излучения на некоторых участках длин волн интенсивность излучения равна нулю. Частным случаем реальных тел являются серые тела, спектр излучения которых подобен спектру излучения абсолютно черного тела. Интенсивность излучения для каждой длины волны серого тела Jλ составляет одну и ту же долю интенсивности излучения черного тела J0λ, то есть . (11.15)

Здесь величина ε — степень черноты тела, зависящая от физических свойств тела, но всегда ε<1. Большинство реальных тел с определенной степенью точности можно считать серыми. Закон Стефана — Больцмана для серого тела с учетом выражения (11.15) имеет вид: , (11.16)

где с — коэффициент излучения серого тела.

Закон Кирхгофа. Рассмотрим две параллельные поверхности, одна из которых абсолютно черная с температурой Т0, вторая серая с температурой Т и поглощающей способностью A. Расстояние между поверхностями настолько близко, что испускаемые каждой поверхностью лучи обязательно попадают на противоположную. Серая стенка излучает энергию Е и поглощает часть излучаемой черным телом энергии А·E0. Излучаемая серым телом энергия Е и отраженная им энергия (1—А)·E0 попадают на черное тело и поглощаются им. Результирующее излучение серого тела qр=Е—А·E0. При Т0=Т, qр=0, отсюда . (11.17)

Итак, отношение излучающей способности серого тела к его поглощающей способности при температурном равновесии не зависит от природы тела и равно энергии излучения абсолютно черного тела при той же температуре. Этот закон справедлив и для монохроматического излучения: . (11.18)

Здесь Аλ — поглощающая способность в узком интервале длин волн. Следовательно, тело, излучающее энергию при какой-либо длине волны, способно поглощать ее при этой же длине волны. На основании равенства (11.17) можно записать Е=А·E0. Однако по (11.16) Е=ε·E0. Таким образом, из закона Кирхгофа также следует, что поглощающая способность серого тела численно равна степени его черноты, то есть А=ε.

Закон Ламберта. Определяет изменение энергии излучения по отдельным направлениям. Согласно этому закону, поток излучения абсолютно черного тела в данном направлении, характеризуемый величиной Jφ, пропорционален потоку излучения в направлении нормали к поверхности Jн и косинусу угла между ними, то есть .

Тепловой метод контроля основан на таких физических явлениях, как тепловые поля, инфракрасные источники тепла, по которым можно диагностировать наличие внешних или внутренних дефектов. Характер избыточного температурного поля может точно показать специфику нарушения состояния исследуемого объекта и позволит вовремя принять необходимые меры по предотвращению неисправностей.

Пирометр — прибор для бесконтактного измерения температуры тел. Принцип действия основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света. Пирометры применяют для дистанционного определения температуры объектов в промышленности, быту, сфере ЖКХ, на предприятиях, где большое значение приобретает контроль температур на различных технологических этапах производства (сталелитейная промышленность, нефтеперерабатывающая отрасль). Пирометры могут выступать в роли средства безопасного дистанционного измерения температур раскаленных объектов, что делает их незаменимыми для обеспечения должного контроля в случаях, когда физическое взаимодействие с контролируемым объектом невозможно из-за высоких температур. Их можно применять в качестве теплолокаторов (усовершенствованные модели), для определения областей критических температур в различных производственных сферах.

Метод визуализации тепловых полей в полупроводниковых материалах основан на эффекте сдвига края собственного поглощения полупроводника при изменении температуры. Для света с энергией кванта близкой к величине запрещенной зоны наблюдаются значительные вариации оптических характеристик полупроводника даже при небольшом изменении температуры. Поэтому при освещении нагретого полупроводника излучением с соответствующей энергией кванта можно сформировать изображение его теплового поля и отслеживать его изменения.





sdamzavas.net - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...