eng
Содержание
Содержание
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Сокращения, принятые в книге . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
ГЛАВА 1. ТЕПЛОВЫЕ МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ.
КРАТКИЙ ОБЗОР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.
Принципы и классификация методов тепловой технической
диагностики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.
Основные задачи и методы теплового контроля и диагностики . . . 27
1.3.1.
ТКД с помощью точечных датчиков температуры . . . . . . . 27
1.3.2.
Термографические методы ТКД . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.4.
Стационарные методы измерения теплопроводности . . . . . . . . . 32
1.4.1.
Физические принципы и математические модели . . . . . . . 32
1.4.2.
Практическая реализация стационарных методов . . . . . . . 40
1.5.
Квазистационарные методы измерения теплопроводности . . . . . . 45
1.6.
Нестационарные методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.6.1.
Общие принципы и подходы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.6.2.
Метод горячей проволоки в нестационарном режиме . . . . . 49
1.6.3.
Классический метод лазерной вспышки . . . . . . . . . . . . . 50
1.6.4.
Модифицированные методы лазерной вспышки . . . . . . . . 61
1.6.5.
Метод температурных волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
1.6.6.
Метод 3ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
1.7.
Неразрушающий контроль и дефектоскопия методами
термографии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
1.7.1.
Классификации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
1.7.2.
Неразрушающий контроль инженерных материалов . . . . . 75
1.7.3.
ИК медицинская диагностика и неразрушающий контроль
биоматериалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
1.8.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ И ОПИСАНИЕ НОВЫХ МЕТОДОВ . . . 85
2.1.
Особенности и достоинства ступенчатого «точечного» нагрева . . . 85
2.2.
Использованное оборудование и его характеристики . . . . . . . . . 87
2.3.
Калибровка оптики тепловизора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.4.
Общие алгоритмы обработки термограмм . . . . . . . . . . . . . . . . 94
2.5.
Необходимые условия для корректного определения КТП . . . . . . 96
2.6.
Проверка отсутствия явной зависимости результатов измерений
от мощности источника нагрева . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.7.
Методы обнаружения и характеризации дефектов . . . . . . . . . . . 99
2.8.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.1.
Теоретические основы 3D метода измерения КТП . . . . . . . . . . . 104
3.2.
3D эксперимент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.3.
Определение КТП прозрачных материалов . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.4.
Теоретические основы 2D метода измерения КТП . . . . . . . . . . . 135
3.5.
2D эксперимент с цилиндрическим тепловым фронтом . . . . . . . 137
3.6.
Измерение КТП анизотропного материала на примере
древесины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
3.7.
Источники погрешностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
3.8.
Обсуждение результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
3.8.1.
Особенности 2D и 3D способов определения КТП . . . . . . 153
3.8.2.
Влияние температурной зависимости ТФХ на результаты
измерений КТП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
3.9.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
ГЛАВА 4. ВЫЯВЛЕНИЕ И ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ДЕФЕКТОВ . . . . . 158
4.1.
Модели нормальных дефектов при точечном нагреве . . . . . . . . . 158
4.2.
Методы обработки ИК изображений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.3.
Экспериментальное обнаружение нормальных трещин . . . . . . . . 161
4.4.
Методы увеличения чувствительности для обнаружения
мелких дефектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.5.
Обнаружение нормальных трещин электротоковым нагревом . . . . 167
4.6.
Термографический контроль изделий посредством обдува объекта
горячим воздухом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
4.6.1.
Контроль состояния наружной поверхности оболочки . . . . 178
4.6.2.
Контроль состояния внутренней поверхности оболочки . . . 181
4.7.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Эпилог . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Предисловие
Уважаемый читатель, перед вами небольшая книга по тепловой техни-
ческой диагностике. Идея написать ее родилась спонтанно, как это за-
частую бывает, при обсуждении задач первичной инфракрасной меди-
цинской диагностики недорогими экспресс-методами. Специалисты
различного профиля предложили ряд свежих подходов, но при их те-
стировании оказалось, что они хорошо подходят и для технической ди-
агностики (ТД) и неразрушающего контроля (НК) инженерных мате-
риалов и изделий. По отношению к этим объектам легче разработать
математические модели и программное обеспечение, можно получить
больший объем количественной информации, т.е. сделать их более ин-
формативными и мультимодальными.
В частности, в рамках одной парадигмы и технической платформы
можно определять теплофизические характеристики объекта, его
структурную эволюцию на разных этапах производства и деградацию
в процессе эксплуатации, осуществлять обнаружение и характериза-
цию дефектов различного типа и геометрии — нормальных к поверх-
ности (типа трещин, непроваров) и латеральных (типа расслоений, не-
желательных депозитов, частичной утраты или нарушения адгезии по-
крытий к субстрату). Ряд найденных технических и алгоритмических
решений запатентован и позволил создать принципиальную основу для
группы новых методов неразрушающего контроля качества. На их базе
сконструированы опытные образцы приборов, позволяющих прово-
дить инспекцию, техническую диагностику и неразрушающий кон-
троль в процессе производства или эксплуатации различных инженер-
ных материалов и изделий. Очень важным для практических приложе-
ний этих разработок является исключение необходимости вырезания
образцов определенной геометрии из массива и малое время, необходи-
мое для проведения контроля (от десятых долей секунды до нескольких
десятков секунд в зависимости от тепловых свойств и геометрии объек-
та). В принципе это позволяет встраивать их и в производственную линию и использовать в производственных, полевых и других не лабора-
торных условиях.
В этой связи акцент в изложении сделан на описании разработанных
нами новых способов, алгоритмов и устройств. Однако для сравнитель-
ного анализа в обзорной главе и обсуждениях по тексту оригинальных
глав приводятся также сведения о традиционных методах (особенно ла-
зерных термографических), их развитии и современном состоянии,
а также полученные с их помощью результаты, которые сопоставляются
с данными, полученными новыми способами.
Книга имеет целью дать обзор достижений в области термографии
с акцентом на динамические методы, потенциально пригодные для соз-
дания на их основе портативных устройств, отвечающих требованиям
эксплуатации, как в лабораторных, так и в производственных условиях.
В соответствии с этим в главе 1 дан краткий критический обзор совре-
менных методов теплового неразрушающего контроля с фокусом на ди-
намические термографические подходы (преимущественно по данным
зарубежной периодики последних лет). В главе 2 описаны оригиналь-
ные подходы, модели и алгоритмы, разработанные и реализованные ав-
торами. Глава 3 посвящена описанию способов термографического
определения теплофизических характеристик различных материалов
с помощью экспресс-методов и алгоритмов, не требующих вырезания
из массива образцов определенной геометрии и пригодных для исполь-
зования в производственных условиях. В главе 4 рассмотрены некото-
рые методы тепловой дефектоскопии, разработанные авторами, также
пригодные для реализации вне лабораторных условий. В эпилоге обоб-
щены описанные подходы и результаты, дан сравнительный анализ до-
стоинств и недостатков различных экспресс-методов теплового НК
и намечены возможные перспективы их развития и применения.
Книга может быть полезной инженерам-разработчикам, производ-
ственникам, студентам, обучающимся по специальностям: 03.04.01.
Прикладные математика и физика; 04.04.02. Химия, физика и механика
материалов; 12.04.03. Фотоника и оптоинформатика; 13.04.01. Теплоэнергетика
и теплотехника; 14.04.01. Ядерная энергетика и теплофизи-
ка; 16.04.01. Техническая физика; 22.04.02. Металлургия.
Экспериментальная часть работы и математическое моделирование
динамических тепловых процессов выполнены при поддержке гранта
Российского научного фонда, проект № 15-19-00181, с привлечением
оборудования и ресурсов Научно-исследовательского института «Нано-
технологии и наноматериалы» и Центра коллективного пользования
Тамбовского государственного университета имени Г.Р. Державина.
Авторы выражают сердечную признательность к.б.н. Инне Анатольевне Васюковой за квалифицированную и самоотверженную работу
по оформлению рукописи.
Сокращения, принятые в книге
ИК — инфракрасный
КТП — коэффициент температуропроводности
МЛВ — метод лазерной вспышки
НК — неразрушающий контроль
СКО — среднеквадратическое отклонение
ТД — техническая диагностика
ТК — тепловой контроль
ТКД — тепловой контроль и диагностика
ТФХ — теплофизические характеристики
УНТ — углеродные нанотрубки
CFRP — Carbon Fibre Reinforced Polymers (углепластиковые компози-
ты)
GFRP — Glass Fibre Reinforced Polymers (композиты, армированные
стекловолокном)
GHP — Guarded Hot Plate (метод горячей охранной зоны)
HFM — Heat Flow Meter (измеритель теплового потока)
LFA — Laser Flash Analysis (метод лазерной вспышки)
TBC — Thermal Barrier Coating (термобарьерные покрытия)
Обозначения переменных:
а — коэффициент температуропроводности
а8, а10 — средние значения а по 8 и 10 тестам соответственно
a* — значения, вычисленные по данным измерений λ стационар-
ным методом GHP
a** — значения, вычисленные по данным о величине λ, ρ и Cp, при-
веденным в литературе
δа — стандартные отклонения выборки
Bi — число Био
Ср — удельная теплоемкость
Dw — диаметр проволоки
Fo — число Фурье
G — функция Грина
h — глубина прорези или трещины
I — ток
j — локальная плотность тока
j∞ — плотность тока на бесконечности
K(m) — автокорреляционная функция
l — длина линейного электронагревателя, проволоки
L — длина прорези или трещины
Ld — характерная длина дефекта
n — частота съемки тепловизором
q — плотность теплового потока
ql — тепловая мощность нагревателя-проволоки на единицу ее
длины
qs — плотность поверхностных источников тепла в области S
qv — объемная плотность источников тепловыделения
Q — тепловой поток
Q* — мощность импульса лазерного излучения
r — радиус, характерный размер
r0 — радиус пятна нагрева
R — радиус отверстия
Rd — радиус дефекта
Rw — радиус проволоки
S — площадь сечения
t — текущее время
tp — длительность теплового импульса
T — температура нагрева
α — коэффициент теплоотдачи
β — отношение энергии, покинувшей образец вследствие теплообмена
на поверхности, к запасенной энергии
γ — постоянная Эйлера
δ — толщина пластины, образца
λ — коэффициент теплопроводности
λst — стандартное значение коэффициента теплопроводности
λ0 — длина волны света
ρ — плотность материала
σ — удельная электрическая проводимость материала
τ — полная длительность нагрева
τF — характерное время Фурье для радиуса r0 лазерного пучка
τF2 — латеральное характерное время Фурье
φ и θ — полярные углы
ГЛАВА 1
ТЕПЛОВЫЕ МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ
ДИАГНОСТИКИ. КРАТКИЙ ОБЗОР
1.1. Введение
Среди большого числа подходов и методов ТД и НК (оптических, ульт-
развуковых, электрических, магнитных, вихретоковых, радиоволновых,
капиллярных, радиационных рентгеновских, гамма-просвечивающих
и др.1) тепловые способы снискали репутацию как одни из самых уни-
версальных, безопасных, наглядных и несложных в реализации [1—4].
Они могут быть активными и пассивными (т.е. требовать или не требо-
вать внешнего источника возбуждения теплового поля), статическими
и динамическими, бесконтактными, высокопроизводительными, мно-
гофункциональными и весьма информативными (при наличии адек-
ватных тепловых моделей объекта и температурного поля в нем) [5—16].
Их можно применять по отношению к любым материалам — электро-
проводящим и диэлектрическим, ферромагнитным и магнитонеупоря-
доченным, инженерным и биологическим, находящимся в твердой
и жидкой фазе, прозрачным и непрозрачным. До последней трети про-
шлого века применение тепловых методов диагностики сдерживалось
отсутствием удобных технических средств для реализации и недоста-
точной развитостью модельных представлений.
Широкие технические возможности для инспекции больших по-
верхностей и крупногабаритных объектов (зданий, промышленных
установок, линий электропередачи), медицинской диагностики, дефек-
тоскопии и многих других приложений появились лишь в 60-е годы
XX века после выхода на рынок инновационной продукции шведской
фирмы AGA — линейки коммерческих тепловизоров. В настоящее вре-
мя преемником AGA является крупная американская компания FLIR,
занимающая около 3/4 мирового рынка тепловизоров.
Современные тепловизоры — это компактные цифровые видеока-
меры с болометрическими матрицами, работающие в инфракрасном
(ИК) диапазоне излучения электромагнитных волн (преимущественно
в области длин волн λ0 = 3—15 мкм) и снабженные некоторым про-
граммным обеспечением, позволяющим производить первичную обра-
ботку цифрового изображения.
Согласно закону Планка о распределении спектральной плотности
мощности излучения и закону смещения Вина именно в этом диапазо-
не длин волн лежат максимумы интенсивности излучения при темпе-
ратурах поверхности тела от −260 до примерно 700—800 °C (рису-
нок 1.1).
В этом же диапазоне длин волн находятся и спектральные окна про-
зрачности в воздухе: несколько относительно узких в области λ0 от 0,8
до 5 мкм и одна широкая в области λ0 = 8—14 мкм (рисунок 1.2). В со-
вокупности это делает легким использование для большинства практи-
чески интересных случаев термографических ИК методов в обычных
атмосферных условиях.
В процессе внедрения тепловизоров в различные сферы деятельно-
сти возникла научно-техническая дисциплина «термография» (т.е. бук-
вально — регистрация и анализ тепловых изображений) как инноваци-
онный подход к задачам получения большого объема информации
о тепловом
состоянии объекта в относительно короткое время. Допол-
нительным драйвером развития и внедрения термографии стало широ-
кое применение лазеров для термического возбуждения контролируе-
мого объекта в активных методах инспекции качества По степени универсальности и применимости к различным видам
технической инспекции термографические методы уступают только
компьютерной томографии и ультразвуковым методам. Согласно [4] из
18 типов дефектов первые могут обнаруживать и охарактеризовы-
вать 11, в то время как последние два — по 13.
Несмотря на более чем полувековую историю развития современ-
ной термографии, происходившего благодаря непрерывному совер-
шенствованию и снижению стоимости ИК сенсорной, полупроводни-
ковой и лазерной техники, методов решения задач теплопроводности
и компьютерной обработки больших массивов информации, ее потен-
циал далеко не исчерпан. Практически каждый год характеристики те-
пловизоров (чувствительность, быстродействие, пространственное
разрешение) улучшаются без существенного роста стоимости, и появ-
ляются публикации о новых способах и устройствах для определения
теплофизических характеристик (ТФХ) материалов и НК изделий,
оценки их состояния и остаточного ресурса, медицинской диагности-
ки, оценки качества сельскохозяйственной продукции, продуктов пи-
тания и др.
Знание теплофизических характеристик керамических, полимерных
и композитных материалов, а также готовых изделий из них необходи-
мо для эффективного функционирования и диагностики их состояния
в процессе эксплуатации во многих областях техники: металлургии, не-
фтехимии, гражданском и промышленном строительстве, ракетной
и аэрокосмической отрасли, трубопроводном транспорте и др. Тепло-
вые и смежные методы ТД и НК переживают всплеск интереса в по-
следнее десятилетие и продолжают успешно развиваться. Большой
вклад в их развитие внесли отечественные ученые (И.В. Баранов,
Н.А. Бекешко, С.Е. Буравой, В.П. Вавилов, А.Д. Ивлиев, В.В. Клюев,
С.В. Мищенко, Е.С. Платунов, С.В. Пономарев, Л.А. Скворцов,
Д.Л. Тимрот,
Л.П. Филиппов, Г.П. Чеботарева и др.) и зарубежные
специалисты (A.J. Anström, F. Cernuschi, G. Gaussorgues, C. Ibarra-
Castanedo, X. Maldague, W. Parker, M. Vollmer и др.). В создание отече-
ственной тепловизионной техники большой вклад внесли Н.Д. Куртев,
М.М. Мирошников, Г.А. Падалко, Л.З. Криксунов, А.Г. Жуков.
В соответствии с целями и задачами книги ниже дан краткий обзор
достижений и результатов в этой области (преимущественно по данным
зарубежной периодики последних лет), потенциально пригодных для
создания на их основе портативных устройств, отвечающих требовани-
ям эксплуатации, как в лабораторных, так и в производственных усло-
виях. Особое внимание уделено динамическим термографическим под-
ходам.
1.2. Принципы и классификация методов
тепловой технической диагностики
Развитию тепловых методов ТД и НК, особенно термографических,
в последние два десятилетия посвящено множество монографий и об-
зоров [7, 9—14, 16—26]. Будучи весьма универсальными, способными
быть бесконтактными, наглядными и недорогими, они обладают рядом
других неоспоримых достоинств и продолжают успешно развиваться
ввиду потенциально более высокой производительности и информа-
тивности, безопасности и удобства применения. Большой прогресс
в термографические методы ТД привнесло использование ИК видеока-
мер — тепловизоров и лазеров, создавшее техническую базу развития
современной термографии. Свою роль сыграло также совершенствова-
ние математических моделей тепловых процессов, компьютерных ме-
тодов технического зрения и алгоритмов обработки тепловых изобра-
жений. К настоящему времени применяются как пассивные методы, не
требующие внешнего воздействия на объект, так и активные, использу-
ющие различные способы подведения энергии и индуцирования зон-
дирующего теплового поля извне. Сферы применения ИК термографии
чрезвычайно широки. Их используют для контроля микроэлектроники
[14, 17], крупногабаритных изделий [18—22], произведений искусства
[23, 24], инженерных сооружений [25, 26], дефектоскопии и неразруша-
ющего контроля материалов и изделий [4, 7, 27—34], измерения ТФХ
[35—38], обнаружения и количественной характеризации коррозии
[39], инспекции природных объектов [40] и геоматериалов [41], древесины [42—47], плодов [48, 49], в биомедицине и диагностике [50, 51],
спортивной медицине [52] и др. Знания о природе и количественных
мерах ТФХ, в частности о наиболее важных из них — коэффициентах
тепло- и температуропроводности, становятся все более востребован-
ными в любых процессах, где значимую роль играют явления теплопереноса.
Во многих случаях они определяют энергоэффективность,
экономичность техпроцесса, а иногда и реализуемость самой технологии.
В активной тепловой диагностике могут быть использованы различ-
ные физические эффекты, индуцируемые нагревом поверхности объек-
та контроля (рисунок 1.3). Это позволяет получать разнообразную ин-
формацию об объекте. Термография эксплуатирует ИК излучение на-
гретого объекта. Фототермические способы основаны на изменении
оптических свойств контролируемого материала или окружающего воз-
духа в результате локального нагрева. В фотоакустических методах ре-
гистрируют термоупругую волну, генерируемую импульсно нагреваемой зоной объекта. В активных тепловых стратегиях ТД принято разли-
чать методы, исследующие отклики на тепловое возмущение
в плоскости свободной поверхности образца (in-plane — вдоль коорди-
наты r на рисунке 1.3) или по нормали z к ней (in-depth).
Наряду с достоинствами, нельзя не отметить и существенные недо-
статки термографических методов — зависимость сигнала в каждом
пикселе цифрового ИК тепловизионного изображения от локальных
оптических свойств материала (отражающей, испускающей и погло-
щающей способности), а также геометрии и состояния поверхности
(степени черноты, шероховатости, локальных наклонов, окисления,
загрязнения и т.п.). К этому могут добавляться аберрации в оптике те-
пловизора, недостаточное быстродействие, узкий динамический диа-
пазон и автоматическая подстройка по максимуму интенсивности из-
лучения, шумы в чувствительной матрице камеры, обслуживающей
электронике и др. Все это, вместе взятое, затрудняет точное определе-
ние истинного распределения абсолютных значений температуры от
точки к точке в регистрируемой динамической тепловой картине, осо-
бенно при больших скоростях ее изменения и высоких градиентах тем-
пературы, которые характерны для адиабатических условий нагрева,
позволяющих создавать простые физические модели и алгоритмы рас-
четов. Однако важно отметить, что во многих случаях знания абсолют-
ных температур в распределении и не требуется. При соответствующей
компьютерной обработке ИК изображения зачастую бывает достаточ-
но располагать информацией об относительных температурах при ус-
ловии, что они связаны с абсолютными температурами неизменным
коэффициентом (или хотя бы известным законом) от точки к точке.
Физические модели, позволяющие оперировать отнормированной,
безразмерной температурой, намного менее чувствительны к оптиче-
ским свойствам объекта, что позволяет исключить из алгоритма абсо-
лютную калибровку тепловизора на каждом новом типе поверхности
материала.
В дальнейшем изложение будет сфокусировано главным образом на
двух основных классах задач, которые решаются методами активной
термографии и последующего анализа ИК изображений: определение
ТФХ разнообразных материалов, а также тепловые методы нестацио-
нарной дефектоскопии и НК.
Знание ТФХ материалов и изделий необходимо при создании и экс-
плуатации зданий и сооружений различного назначения, почти всех
видов современной техники: наземных и аэрокосмических транспорт-
ных средств, печей и кристаллизаторов различного назначения, высо-
котемпературных реакторов, металлургического оборудования, тиглей,
оборудования энергетического и нефтехимического комплекса, лазер-
ной техники, электроники и др. От теплофизических характеристик за-
висит функциональность, энергоэффективность, а зачастую и сама осу-
ществимость запланированных функций. ТФХ любых материалов мо-
гут существенно зависеть от атомарной структуры и микроструктуры,
наличия пор, их концентрации, формы и размеров, степени их запол-
нения жидкостями или газами, размеров и связанности кристаллитов
или фаз в композите и других факторов, на которые могут влиять тех-
нологии их получения и обработки, условия эксплуатации (температу-
ра, механические нагрузки, влияние агрессивной окружающей среды).
Поэтому необходимо иметь надежные, простые и высокопроизводи-
тельные методы их определения, желательно без вырезки образцов из
изделия или массива материала.
Важнейшими транспортными тепловыми характеристиками мате-
риалов являются коэффициент теплопроводности λ и коэффициент
температуропроводности (КТП) а. Большое значение имеют их темпе-
ратурные зависимости, а также удельная теплоемкость при постоянном
давлении Ср, коэффициенты термического расширения, характеристи-
ки огнеупорности и теплостойкости.
Величина λ определяет плотность теплового потока в стационарных
условиях теплопередачи и имеет размерность [Вт/(м · °С)]. Обычно
λ измеряют методами, использующими стационарный тепловой поток
в образце. Величина а характеризует скорость выравнивания темпера-
туры в неоднородно нагретом объекте в нестационарных условиях.
В системе СИ величина а измеряется в [м2/с] или более удобных для
теплоизолирующих и плохо проводящих материалов единицах, выра-
женных через десятичную дольную приставку, — [мм2/с]. Величину а
можно измерить только нестационарными методами, когда поле темпе-
ратур претерпевает контролируемую эволюцию во времени. Обычно
определение КТП занимает намного меньше времени, чем измерение
λ в стационарном режиме, поскольку не требуется длительного прогре-
ва всей установки с образцом для достижения стационарности теплово-
го состояния всей системы. По этой причине зачастую величину λ опре-
деляют по формуле λ = аρСр, предварительно измерив а, где плотность
ρ и величина Ср полагают известными или определяют независимыми
измерениями.
Наряду с количественной характеризацией различных теплофизиче-
ских свойств материала и готовых изделий, актуальны также и задачи
создания материалов с пониженными или повышенными тепловыми
транспортными характеристиками (как в твердом, так и в жидком состо-
янии). Первые находят применение в качестве более эффективных огне-
упоров, теплозащитных слоев, термостойких и термобарьерных покры-
тий, а вторые — в системах охлаждения энергетически высоконапря-
женных изделий, теплообменных аппаратах, радиаторах мощных
электронных компонентов, термопастах, снижающих тепловое контакт-
ное сопротивление, и др. В настоящее время как понижения, так и по-
вышения λ и а чаще всего добиваются применением оптимально скон-
струированных композитов, в последние годы — все шире — нанострук-
турированных композитов. Наличие нанофазы с отличающимися от
матрицы ТФХ может привести к существенному изменению транспорт-
ных макрохарактеристик не только аддитивно, за счет изменения усред-
ненных по объему значений λ и а, но и вследствие появления межфаз-
ных границ и контактных явлений на них, размерных эффектов, изме-
нения фононных спектров, перехода теплопереноса в баллистический
режим, перколяции и т.п. Физическая сторона подобных явлений в на-
ношкале до конца не изучена и требует отдельного рассмотрения.
Перечень задач и объектов НК весьма разнообразен: это различные
нарушения сплошности (трещины, поры, расслоения в объеме материала,
отслоения покрытий, непровары, непроклеи и др.), дефекты
и неоднородности структуры без нарушения сплошности (области де-
градации микроструктуры, коррозионных повреждений, ослабления адгезии различных фаз в композитах и многослойных материалах
и конструкциях и др.). Протяженные дефекты в первом приближении
можно разделить на два класса — перпендикулярные и параллельные
инспектируемой поверхности. Существуют и близкие к равноосным де-
фекты (поры, дисперсные частицы второй фазы, включения), которые
нельзя отнести ни к одному из этих двух классов и образующие свой
класс. Для выявления и характеризации дефектов каждого из этих трех
классов используют средства НК, отличающиеся геометрией источников
тепла, временными режимами их работы, математическими
моделями,
алгоритмами обработки термограмм и программным обе-
спечением. Используя основные классификационные признаки, суще-
ственные при описании и реализации тепловых методов ТД и НК (ри-
сунок 1.4), дадим их краткий обзор. В мировой литературе имеется бо-
лее десяти тысяч публикаций по этой проблематике. Совершенно
очевидно, что можно дать их анализ и даже ссылки только выборочно,
руководствуясь теми или иными принципами отбора. В настоящем об-
зоре акцент сделан на работах последних лет, посвященных термогра-
фическим методам. Однако для сравнения их с другими тепловыми ме-
тодами ТД и НК будут приведены сведения и о некоторых наиболее
распространенных подходах, не использующих технику термографии.
Как уже упоминалось, важнейшими для реализации, последующей
обработки и извлечения искомых данных являются признаки, по кото-
рым все тепловые методы инспекции целесообразно в первую очередь
разделить на пассивные и активные (по факту отсутствия или наличия
внешнего источника энергии, возбуждающего тепловое поле). До неко-
торой степени это разделение условное. Так, например, некоторые ис-
следователи считают методы изучения тепловых процессов при дефор-
мации и разрушении пассивными, поскольку объекту не сообщается
тепловой энергии извне, а другие — активными, так как в объект тем
или иным способом закачивается упругая энергия (растяжением/сжа-
тием, локальным ударом, вибрацией).
По характеру температурного поля — зависящему или независящему
от времени — все методы ТД можно подразделить на динамические
и статические. Методы тепловой инспекции могут быть контактными
и бесконтактными. Они могут анализировать тепловые эффекты в пло-
скости образца или по его нормали. Наконец, любые методы исследо-
вания материалов могут быть рассчитаны на применение в лаборатории
или способными работать и вне лаборатории в производственных усло-
виях на готовых крупногабаритных изделиях. Лабораторные методы,
как правило, более точны, но требуют трудоемкой подготовки образцов
определенной формы и размеров (особенно в случае определения
ТФХ). Эти образцы приходится вырезать из объекта контроля, подго-
тавливать их поверхности, что требует больших трудозатрат и снижает
выпуск готовой продукции. Для контроля готовых изделий в производ-
ственных или полевых условиях это совершенно недопустимо или не-
возможно, так что требуются портативные устройства, реализующие
полностью неразрушающие, безобразцовые, хотя, возможно, и менее
точные методы исследования.
Пассивные методы чаще используют для инспекции технологиче-
ского и энергетического оборудования, средств транспорта [5, 9—10,
15], зданий и сооружений [25, 26], природных объектов [40]. Они при-
меняются также и для медицинской диагностики и контроля терапев-
тических методов [50—52]. Пассивные методы ИК термографии отли-
чает простота реализации, наглядность результатов, возможность ин-
спектировать большие поверхности и крупногабаритные объекты без
сканирования. К недостаткам пассивных методов можно отнести не-
возможность управления процессами теплогенерации и характером
температурного поля в объекте. Неопределенность в истинном распре-
делении источников тепла в объеме снижает информативность этих ме-
тодов, поскольку приходится решать обратную математическую задачу
в отсутствие необходимой для этого полноты исходных данных, вводя
некоторые дополнительные условия, ограничения, гипотезы, или ис-
пользовать эмпирические критерии НК.
Активные стационарные методы чаще всего применяют для опреде-
ления теплофизических характеристик материала или объекта [35—38].
Как правило, они требуют образцов определенной формы и размеров,
большого времени для установления стационарного режима, что отчасти
компенсируется простотой реализации и тепловых моделей процесса.
Уважаемый читатель, перед вами небольшая книга по тепловой техни-
ческой диагностике. Идея написать ее родилась спонтанно, как это за-
частую бывает, при обсуждении задач первичной инфракрасной меди-
цинской диагностики недорогими экспресс-методами. Специалисты
различного профиля предложили ряд свежих подходов, но при их те-
стировании оказалось, что они хорошо подходят и для технической ди-
агностики (ТД) и неразрушающего контроля (НК) инженерных мате-
риалов и изделий. По отношению к этим объектам легче разработать
математические модели и программное обеспечение, можно получить
больший объем количественной информации, т.е. сделать их более ин-
формативными и мультимодальными.
В частности, в рамках одной парадигмы и технической платформы
можно определять теплофизические характеристики объекта, его
структурную эволюцию на разных этапах производства и деградацию
в процессе эксплуатации, осуществлять обнаружение и характериза-
цию дефектов различного типа и геометрии — нормальных к поверх-
ности (типа трещин, непроваров) и латеральных (типа расслоений, не-
желательных депозитов, частичной утраты или нарушения адгезии по-
крытий к субстрату). Ряд найденных технических и алгоритмических
решений запатентован и позволил создать принципиальную основу для
группы новых методов неразрушающего контроля качества. На их базе
сконструированы опытные образцы приборов, позволяющих прово-
дить инспекцию, техническую диагностику и неразрушающий кон-
троль в процессе производства или эксплуатации различных инженер-
ных материалов и изделий. Очень важным для практических приложе-
ний этих разработок является исключение необходимости вырезания
образцов определенной геометрии из массива и малое время, необходи-
мое для проведения контроля (от десятых долей секунды до нескольких
десятков секунд в зависимости от тепловых свойств и геометрии объек-
та). В принципе это позволяет встраивать их и в производственную линию и использовать в производственных, полевых и других не лабора-
торных условиях.
В этой связи акцент в изложении сделан на описании разработанных
нами новых способов, алгоритмов и устройств. Однако для сравнитель-
ного анализа в обзорной главе и обсуждениях по тексту оригинальных
глав приводятся также сведения о традиционных методах (особенно ла-
зерных термографических), их развитии и современном состоянии,
а также полученные с их помощью результаты, которые сопоставляются
с данными, полученными новыми способами.
Книга имеет целью дать обзор достижений в области термографии
с акцентом на динамические методы, потенциально пригодные для соз-
дания на их основе портативных устройств, отвечающих требованиям
эксплуатации, как в лабораторных, так и в производственных условиях.
В соответствии с этим в главе 1 дан краткий критический обзор совре-
менных методов теплового неразрушающего контроля с фокусом на ди-
намические термографические подходы (преимущественно по данным
зарубежной периодики последних лет). В главе 2 описаны оригиналь-
ные подходы, модели и алгоритмы, разработанные и реализованные ав-
торами. Глава 3 посвящена описанию способов термографического
определения теплофизических характеристик различных материалов
с помощью экспресс-методов и алгоритмов, не требующих вырезания
из массива образцов определенной геометрии и пригодных для исполь-
зования в производственных условиях. В главе 4 рассмотрены некото-
рые методы тепловой дефектоскопии, разработанные авторами, также
пригодные для реализации вне лабораторных условий. В эпилоге обоб-
щены описанные подходы и результаты, дан сравнительный анализ до-
стоинств и недостатков различных экспресс-методов теплового НК
и намечены возможные перспективы их развития и применения.
Книга может быть полезной инженерам-разработчикам, производ-
ственникам, студентам, обучающимся по специальностям: 03.04.01.
Прикладные математика и физика; 04.04.02. Химия, физика и механика
материалов; 12.04.03. Фотоника и оптоинформатика; 13.04.01. Теплоэнергетика
и теплотехника; 14.04.01. Ядерная энергетика и теплофизи-
ка; 16.04.01. Техническая физика; 22.04.02. Металлургия.
Экспериментальная часть работы и математическое моделирование
динамических тепловых процессов выполнены при поддержке гранта
Российского научного фонда, проект № 15-19-00181, с привлечением
оборудования и ресурсов Научно-исследовательского института «Нано-
технологии и наноматериалы» и Центра коллективного пользования
Тамбовского государственного университета имени Г.Р. Державина.
Авторы выражают сердечную признательность к.б.н. Инне Анатольевне Васюковой за квалифицированную и самоотверженную работу
по оформлению рукописи.
Сокращения, принятые в книге
ИК — инфракрасный
КТП — коэффициент температуропроводности
МЛВ — метод лазерной вспышки
НК — неразрушающий контроль
СКО — среднеквадратическое отклонение
ТД — техническая диагностика
ТК — тепловой контроль
ТКД — тепловой контроль и диагностика
ТФХ — теплофизические характеристики
УНТ — углеродные нанотрубки
CFRP — Carbon Fibre Reinforced Polymers (углепластиковые компози-
ты)
GFRP — Glass Fibre Reinforced Polymers (композиты, армированные
стекловолокном)
GHP — Guarded Hot Plate (метод горячей охранной зоны)
HFM — Heat Flow Meter (измеритель теплового потока)
LFA — Laser Flash Analysis (метод лазерной вспышки)
TBC — Thermal Barrier Coating (термобарьерные покрытия)
Обозначения переменных:
а — коэффициент температуропроводности
а8, а10 — средние значения а по 8 и 10 тестам соответственно
a* — значения, вычисленные по данным измерений λ стационар-
ным методом GHP
a** — значения, вычисленные по данным о величине λ, ρ и Cp, при-
веденным в литературе
δа — стандартные отклонения выборки
Bi — число Био
Ср — удельная теплоемкость
Dw — диаметр проволоки
Fo — число Фурье
G — функция Грина
h — глубина прорези или трещины
I — ток
j — локальная плотность тока
j∞ — плотность тока на бесконечности
K(m) — автокорреляционная функция
l — длина линейного электронагревателя, проволоки
L — длина прорези или трещины
Ld — характерная длина дефекта
n — частота съемки тепловизором
q — плотность теплового потока
ql — тепловая мощность нагревателя-проволоки на единицу ее
длины
qs — плотность поверхностных источников тепла в области S
qv — объемная плотность источников тепловыделения
Q — тепловой поток
Q* — мощность импульса лазерного излучения
r — радиус, характерный размер
r0 — радиус пятна нагрева
R — радиус отверстия
Rd — радиус дефекта
Rw — радиус проволоки
S — площадь сечения
t — текущее время
tp — длительность теплового импульса
T — температура нагрева
α — коэффициент теплоотдачи
β — отношение энергии, покинувшей образец вследствие теплообмена
на поверхности, к запасенной энергии
γ — постоянная Эйлера
δ — толщина пластины, образца
λ — коэффициент теплопроводности
λst — стандартное значение коэффициента теплопроводности
λ0 — длина волны света
ρ — плотность материала
σ — удельная электрическая проводимость материала
τ — полная длительность нагрева
τF — характерное время Фурье для радиуса r0 лазерного пучка
τF2 — латеральное характерное время Фурье
φ и θ — полярные углы
ГЛАВА 1
ТЕПЛОВЫЕ МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ
ДИАГНОСТИКИ. КРАТКИЙ ОБЗОР
1.1. Введение
Среди большого числа подходов и методов ТД и НК (оптических, ульт-
развуковых, электрических, магнитных, вихретоковых, радиоволновых,
капиллярных, радиационных рентгеновских, гамма-просвечивающих
и др.1) тепловые способы снискали репутацию как одни из самых уни-
версальных, безопасных, наглядных и несложных в реализации [1—4].
Они могут быть активными и пассивными (т.е. требовать или не требо-
вать внешнего источника возбуждения теплового поля), статическими
и динамическими, бесконтактными, высокопроизводительными, мно-
гофункциональными и весьма информативными (при наличии адек-
ватных тепловых моделей объекта и температурного поля в нем) [5—16].
Их можно применять по отношению к любым материалам — электро-
проводящим и диэлектрическим, ферромагнитным и магнитонеупоря-
доченным, инженерным и биологическим, находящимся в твердой
и жидкой фазе, прозрачным и непрозрачным. До последней трети про-
шлого века применение тепловых методов диагностики сдерживалось
отсутствием удобных технических средств для реализации и недоста-
точной развитостью модельных представлений.
Широкие технические возможности для инспекции больших по-
верхностей и крупногабаритных объектов (зданий, промышленных
установок, линий электропередачи), медицинской диагностики, дефек-
тоскопии и многих других приложений появились лишь в 60-е годы
XX века после выхода на рынок инновационной продукции шведской
фирмы AGA — линейки коммерческих тепловизоров. В настоящее вре-
мя преемником AGA является крупная американская компания FLIR,
занимающая около 3/4 мирового рынка тепловизоров.
Современные тепловизоры — это компактные цифровые видеока-
меры с болометрическими матрицами, работающие в инфракрасном
(ИК) диапазоне излучения электромагнитных волн (преимущественно
в области длин волн λ0 = 3—15 мкм) и снабженные некоторым про-
граммным обеспечением, позволяющим производить первичную обра-
ботку цифрового изображения.
Согласно закону Планка о распределении спектральной плотности
мощности излучения и закону смещения Вина именно в этом диапазо-
не длин волн лежат максимумы интенсивности излучения при темпе-
ратурах поверхности тела от −260 до примерно 700—800 °C (рису-
нок 1.1).
В этом же диапазоне длин волн находятся и спектральные окна про-
зрачности в воздухе: несколько относительно узких в области λ0 от 0,8
до 5 мкм и одна широкая в области λ0 = 8—14 мкм (рисунок 1.2). В со-
вокупности это делает легким использование для большинства практи-
чески интересных случаев термографических ИК методов в обычных
атмосферных условиях.
В процессе внедрения тепловизоров в различные сферы деятельно-
сти возникла научно-техническая дисциплина «термография» (т.е. бук-
вально — регистрация и анализ тепловых изображений) как инноваци-
онный подход к задачам получения большого объема информации
о тепловом
состоянии объекта в относительно короткое время. Допол-
нительным драйвером развития и внедрения термографии стало широ-
кое применение лазеров для термического возбуждения контролируе-
мого объекта в активных методах инспекции качества По степени универсальности и применимости к различным видам
технической инспекции термографические методы уступают только
компьютерной томографии и ультразвуковым методам. Согласно [4] из
18 типов дефектов первые могут обнаруживать и охарактеризовы-
вать 11, в то время как последние два — по 13.
Несмотря на более чем полувековую историю развития современ-
ной термографии, происходившего благодаря непрерывному совер-
шенствованию и снижению стоимости ИК сенсорной, полупроводни-
ковой и лазерной техники, методов решения задач теплопроводности
и компьютерной обработки больших массивов информации, ее потен-
циал далеко не исчерпан. Практически каждый год характеристики те-
пловизоров (чувствительность, быстродействие, пространственное
разрешение) улучшаются без существенного роста стоимости, и появ-
ляются публикации о новых способах и устройствах для определения
теплофизических характеристик (ТФХ) материалов и НК изделий,
оценки их состояния и остаточного ресурса, медицинской диагности-
ки, оценки качества сельскохозяйственной продукции, продуктов пи-
тания и др.
Знание теплофизических характеристик керамических, полимерных
и композитных материалов, а также готовых изделий из них необходи-
мо для эффективного функционирования и диагностики их состояния
в процессе эксплуатации во многих областях техники: металлургии, не-
фтехимии, гражданском и промышленном строительстве, ракетной
и аэрокосмической отрасли, трубопроводном транспорте и др. Тепло-
вые и смежные методы ТД и НК переживают всплеск интереса в по-
следнее десятилетие и продолжают успешно развиваться. Большой
вклад в их развитие внесли отечественные ученые (И.В. Баранов,
Н.А. Бекешко, С.Е. Буравой, В.П. Вавилов, А.Д. Ивлиев, В.В. Клюев,
С.В. Мищенко, Е.С. Платунов, С.В. Пономарев, Л.А. Скворцов,
Д.Л. Тимрот,
Л.П. Филиппов, Г.П. Чеботарева и др.) и зарубежные
специалисты (A.J. Anström, F. Cernuschi, G. Gaussorgues, C. Ibarra-
Castanedo, X. Maldague, W. Parker, M. Vollmer и др.). В создание отече-
ственной тепловизионной техники большой вклад внесли Н.Д. Куртев,
М.М. Мирошников, Г.А. Падалко, Л.З. Криксунов, А.Г. Жуков.
В соответствии с целями и задачами книги ниже дан краткий обзор
достижений и результатов в этой области (преимущественно по данным
зарубежной периодики последних лет), потенциально пригодных для
создания на их основе портативных устройств, отвечающих требовани-
ям эксплуатации, как в лабораторных, так и в производственных усло-
виях. Особое внимание уделено динамическим термографическим под-
ходам.
1.2. Принципы и классификация методов
тепловой технической диагностики
Развитию тепловых методов ТД и НК, особенно термографических,
в последние два десятилетия посвящено множество монографий и об-
зоров [7, 9—14, 16—26]. Будучи весьма универсальными, способными
быть бесконтактными, наглядными и недорогими, они обладают рядом
других неоспоримых достоинств и продолжают успешно развиваться
ввиду потенциально более высокой производительности и информа-
тивности, безопасности и удобства применения. Большой прогресс
в термографические методы ТД привнесло использование ИК видеока-
мер — тепловизоров и лазеров, создавшее техническую базу развития
современной термографии. Свою роль сыграло также совершенствова-
ние математических моделей тепловых процессов, компьютерных ме-
тодов технического зрения и алгоритмов обработки тепловых изобра-
жений. К настоящему времени применяются как пассивные методы, не
требующие внешнего воздействия на объект, так и активные, использу-
ющие различные способы подведения энергии и индуцирования зон-
дирующего теплового поля извне. Сферы применения ИК термографии
чрезвычайно широки. Их используют для контроля микроэлектроники
[14, 17], крупногабаритных изделий [18—22], произведений искусства
[23, 24], инженерных сооружений [25, 26], дефектоскопии и неразруша-
ющего контроля материалов и изделий [4, 7, 27—34], измерения ТФХ
[35—38], обнаружения и количественной характеризации коррозии
[39], инспекции природных объектов [40] и геоматериалов [41], древесины [42—47], плодов [48, 49], в биомедицине и диагностике [50, 51],
спортивной медицине [52] и др. Знания о природе и количественных
мерах ТФХ, в частности о наиболее важных из них — коэффициентах
тепло- и температуропроводности, становятся все более востребован-
ными в любых процессах, где значимую роль играют явления теплопереноса.
Во многих случаях они определяют энергоэффективность,
экономичность техпроцесса, а иногда и реализуемость самой технологии.
В активной тепловой диагностике могут быть использованы различ-
ные физические эффекты, индуцируемые нагревом поверхности объек-
та контроля (рисунок 1.3). Это позволяет получать разнообразную ин-
формацию об объекте. Термография эксплуатирует ИК излучение на-
гретого объекта. Фототермические способы основаны на изменении
оптических свойств контролируемого материала или окружающего воз-
духа в результате локального нагрева. В фотоакустических методах ре-
гистрируют термоупругую волну, генерируемую импульсно нагреваемой зоной объекта. В активных тепловых стратегиях ТД принято разли-
чать методы, исследующие отклики на тепловое возмущение
в плоскости свободной поверхности образца (in-plane — вдоль коорди-
наты r на рисунке 1.3) или по нормали z к ней (in-depth).
Наряду с достоинствами, нельзя не отметить и существенные недо-
статки термографических методов — зависимость сигнала в каждом
пикселе цифрового ИК тепловизионного изображения от локальных
оптических свойств материала (отражающей, испускающей и погло-
щающей способности), а также геометрии и состояния поверхности
(степени черноты, шероховатости, локальных наклонов, окисления,
загрязнения и т.п.). К этому могут добавляться аберрации в оптике те-
пловизора, недостаточное быстродействие, узкий динамический диа-
пазон и автоматическая подстройка по максимуму интенсивности из-
лучения, шумы в чувствительной матрице камеры, обслуживающей
электронике и др. Все это, вместе взятое, затрудняет точное определе-
ние истинного распределения абсолютных значений температуры от
точки к точке в регистрируемой динамической тепловой картине, осо-
бенно при больших скоростях ее изменения и высоких градиентах тем-
пературы, которые характерны для адиабатических условий нагрева,
позволяющих создавать простые физические модели и алгоритмы рас-
четов. Однако важно отметить, что во многих случаях знания абсолют-
ных температур в распределении и не требуется. При соответствующей
компьютерной обработке ИК изображения зачастую бывает достаточ-
но располагать информацией об относительных температурах при ус-
ловии, что они связаны с абсолютными температурами неизменным
коэффициентом (или хотя бы известным законом) от точки к точке.
Физические модели, позволяющие оперировать отнормированной,
безразмерной температурой, намного менее чувствительны к оптиче-
ским свойствам объекта, что позволяет исключить из алгоритма абсо-
лютную калибровку тепловизора на каждом новом типе поверхности
материала.
В дальнейшем изложение будет сфокусировано главным образом на
двух основных классах задач, которые решаются методами активной
термографии и последующего анализа ИК изображений: определение
ТФХ разнообразных материалов, а также тепловые методы нестацио-
нарной дефектоскопии и НК.
Знание ТФХ материалов и изделий необходимо при создании и экс-
плуатации зданий и сооружений различного назначения, почти всех
видов современной техники: наземных и аэрокосмических транспорт-
ных средств, печей и кристаллизаторов различного назначения, высо-
котемпературных реакторов, металлургического оборудования, тиглей,
оборудования энергетического и нефтехимического комплекса, лазер-
ной техники, электроники и др. От теплофизических характеристик за-
висит функциональность, энергоэффективность, а зачастую и сама осу-
ществимость запланированных функций. ТФХ любых материалов мо-
гут существенно зависеть от атомарной структуры и микроструктуры,
наличия пор, их концентрации, формы и размеров, степени их запол-
нения жидкостями или газами, размеров и связанности кристаллитов
или фаз в композите и других факторов, на которые могут влиять тех-
нологии их получения и обработки, условия эксплуатации (температу-
ра, механические нагрузки, влияние агрессивной окружающей среды).
Поэтому необходимо иметь надежные, простые и высокопроизводи-
тельные методы их определения, желательно без вырезки образцов из
изделия или массива материала.
Важнейшими транспортными тепловыми характеристиками мате-
риалов являются коэффициент теплопроводности λ и коэффициент
температуропроводности (КТП) а. Большое значение имеют их темпе-
ратурные зависимости, а также удельная теплоемкость при постоянном
давлении Ср, коэффициенты термического расширения, характеристи-
ки огнеупорности и теплостойкости.
Величина λ определяет плотность теплового потока в стационарных
условиях теплопередачи и имеет размерность [Вт/(м · °С)]. Обычно
λ измеряют методами, использующими стационарный тепловой поток
в образце. Величина а характеризует скорость выравнивания темпера-
туры в неоднородно нагретом объекте в нестационарных условиях.
В системе СИ величина а измеряется в [м2/с] или более удобных для
теплоизолирующих и плохо проводящих материалов единицах, выра-
женных через десятичную дольную приставку, — [мм2/с]. Величину а
можно измерить только нестационарными методами, когда поле темпе-
ратур претерпевает контролируемую эволюцию во времени. Обычно
определение КТП занимает намного меньше времени, чем измерение
λ в стационарном режиме, поскольку не требуется длительного прогре-
ва всей установки с образцом для достижения стационарности теплово-
го состояния всей системы. По этой причине зачастую величину λ опре-
деляют по формуле λ = аρСр, предварительно измерив а, где плотность
ρ и величина Ср полагают известными или определяют независимыми
измерениями.
Наряду с количественной характеризацией различных теплофизиче-
ских свойств материала и готовых изделий, актуальны также и задачи
создания материалов с пониженными или повышенными тепловыми
транспортными характеристиками (как в твердом, так и в жидком состо-
янии). Первые находят применение в качестве более эффективных огне-
упоров, теплозащитных слоев, термостойких и термобарьерных покры-
тий, а вторые — в системах охлаждения энергетически высоконапря-
женных изделий, теплообменных аппаратах, радиаторах мощных
электронных компонентов, термопастах, снижающих тепловое контакт-
ное сопротивление, и др. В настоящее время как понижения, так и по-
вышения λ и а чаще всего добиваются применением оптимально скон-
струированных композитов, в последние годы — все шире — нанострук-
турированных композитов. Наличие нанофазы с отличающимися от
матрицы ТФХ может привести к существенному изменению транспорт-
ных макрохарактеристик не только аддитивно, за счет изменения усред-
ненных по объему значений λ и а, но и вследствие появления межфаз-
ных границ и контактных явлений на них, размерных эффектов, изме-
нения фононных спектров, перехода теплопереноса в баллистический
режим, перколяции и т.п. Физическая сторона подобных явлений в на-
ношкале до конца не изучена и требует отдельного рассмотрения.
Перечень задач и объектов НК весьма разнообразен: это различные
нарушения сплошности (трещины, поры, расслоения в объеме материала,
отслоения покрытий, непровары, непроклеи и др.), дефекты
и неоднородности структуры без нарушения сплошности (области де-
градации микроструктуры, коррозионных повреждений, ослабления адгезии различных фаз в композитах и многослойных материалах
и конструкциях и др.). Протяженные дефекты в первом приближении
можно разделить на два класса — перпендикулярные и параллельные
инспектируемой поверхности. Существуют и близкие к равноосным де-
фекты (поры, дисперсные частицы второй фазы, включения), которые
нельзя отнести ни к одному из этих двух классов и образующие свой
класс. Для выявления и характеризации дефектов каждого из этих трех
классов используют средства НК, отличающиеся геометрией источников
тепла, временными режимами их работы, математическими
моделями,
алгоритмами обработки термограмм и программным обе-
спечением. Используя основные классификационные признаки, суще-
ственные при описании и реализации тепловых методов ТД и НК (ри-
сунок 1.4), дадим их краткий обзор. В мировой литературе имеется бо-
лее десяти тысяч публикаций по этой проблематике. Совершенно
очевидно, что можно дать их анализ и даже ссылки только выборочно,
руководствуясь теми или иными принципами отбора. В настоящем об-
зоре акцент сделан на работах последних лет, посвященных термогра-
фическим методам. Однако для сравнения их с другими тепловыми ме-
тодами ТД и НК будут приведены сведения и о некоторых наиболее
распространенных подходах, не использующих технику термографии.
Как уже упоминалось, важнейшими для реализации, последующей
обработки и извлечения искомых данных являются признаки, по кото-
рым все тепловые методы инспекции целесообразно в первую очередь
разделить на пассивные и активные (по факту отсутствия или наличия
внешнего источника энергии, возбуждающего тепловое поле). До неко-
торой степени это разделение условное. Так, например, некоторые ис-
следователи считают методы изучения тепловых процессов при дефор-
мации и разрушении пассивными, поскольку объекту не сообщается
тепловой энергии извне, а другие — активными, так как в объект тем
или иным способом закачивается упругая энергия (растяжением/сжа-
тием, локальным ударом, вибрацией).
По характеру температурного поля — зависящему или независящему
от времени — все методы ТД можно подразделить на динамические
и статические. Методы тепловой инспекции могут быть контактными
и бесконтактными. Они могут анализировать тепловые эффекты в пло-
скости образца или по его нормали. Наконец, любые методы исследо-
вания материалов могут быть рассчитаны на применение в лаборатории
или способными работать и вне лаборатории в производственных усло-
виях на готовых крупногабаритных изделиях. Лабораторные методы,
как правило, более точны, но требуют трудоемкой подготовки образцов
определенной формы и размеров (особенно в случае определения
ТФХ). Эти образцы приходится вырезать из объекта контроля, подго-
тавливать их поверхности, что требует больших трудозатрат и снижает
выпуск готовой продукции. Для контроля готовых изделий в производ-
ственных или полевых условиях это совершенно недопустимо или не-
возможно, так что требуются портативные устройства, реализующие
полностью неразрушающие, безобразцовые, хотя, возможно, и менее
точные методы исследования.
Пассивные методы чаще используют для инспекции технологиче-
ского и энергетического оборудования, средств транспорта [5, 9—10,
15], зданий и сооружений [25, 26], природных объектов [40]. Они при-
меняются также и для медицинской диагностики и контроля терапев-
тических методов [50—52]. Пассивные методы ИК термографии отли-
чает простота реализации, наглядность результатов, возможность ин-
спектировать большие поверхности и крупногабаритные объекты без
сканирования. К недостаткам пассивных методов можно отнести не-
возможность управления процессами теплогенерации и характером
температурного поля в объекте. Неопределенность в истинном распре-
делении источников тепла в объеме снижает информативность этих ме-
тодов, поскольку приходится решать обратную математическую задачу
в отсутствие необходимой для этого полноты исходных данных, вводя
некоторые дополнительные условия, ограничения, гипотезы, или ис-
пользовать эмпирические критерии НК.
Активные стационарные методы чаще всего применяют для опреде-
ления теплофизических характеристик материала или объекта [35—38].
Как правило, они требуют образцов определенной формы и размеров,
большого времени для установления стационарного режима, что отчасти
компенсируется простотой реализации и тепловых моделей процесса.