ЛЕКЦИЯ № 9. ТЕПЛОВОЙ МЕТОД

Основан на регистрации изменения тепловых полей объектов. При нарушении термодинамического равновесия объекта с окружающей средой на его поверхности возникает избыточное температурное поле, характер которого позволяет получить информацию об интересующих свойствах объектов. По характеру взаимодействия поля с объектом различают методы пассивный (собственного излучения) и активный (объект нагревают или охлаждают). Измеряемый информативный параметр – температура или тепловой поток.

В пассивном методе измеряют тепловые потоки от работающих объектов-котлов, радиосхем, двигателей. В активном – объект нагревается извне. По результатам контроля обнаруживают несплошности, изменения структуры или физико-механических свойств по изменению величины теплопроводности.

Основное средство наблюдения и регистрации тепловых потоков – сканирующий тепловизор (рисунок 14).

1 - оптическая система; 2- приемник излучения;

3 – сканирующее устройство; 4 – усилитель;

5 – система развертки и синхронизации; 6 – электронно-лучевая трубка

Рис.14 – Структурная схема тепловизора

Достоинствами теплового контроля являются:

- дистанционность;

- высокая скорость обработки информации;

- высокая производительность испытаний;

- высокое линейное разрешение;

- возможность контроля при одно- и двустороннем подходе к изделию;

- теоретическая возможность контроля любых материалов;

- многопараметрический характер испытаний;

- возможность взаимодополняющего сочетания ТНК с другими видами неразрушающего контроля;

- сочетаемость со стандартными системами обработки информации;

- возможность поточного контроля и создания автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами.

Некоторые области применения активного ТНК:

- авиакосмическая индустрия: дефекты структуры копозитов, готовых панелей, клеевых соединений, защитных покрытий.

- микроэлетроника: лазерный контроль пайки, сварки;

- машиностроение: термоволновая дефектоскопия антикорозионных покрытий, тепловая толщинометрия пленок.

- лазерная техника и т.д.

Некоторые области применения пассивного ТНК:

- энергетика, тепловая диагностика турбин, дымовых труб, энергоагрегатов, контактных сетей, теплоизоляции; - нефтехимия: тепловизионный контроль реакторных колонн и энергоагрегатов, обнаружение утечек из продуктопроводов.

- машиностроение: контроль тепловых режимов машин, механизмов.

- строительство: обнаружение утечек тепла в зданиях, тепловизионный контроль качества кровли, ограждающих конструкций;

- экологический мониторинг: дистанционный контроль утечек тепла, загрязнений на водных поверхностях, выявление тепловых аномалий, обнаружение пустот, промоин.

Основной характеристикой температурного поля, являющейся индикатором внутренней дефектности, служит величина локального температурного перепада.

Координаты места перепада, 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 теплообмене на поверхности объекта контроля (чаще всего величина коэффициента конвективной теплоотдачи), мощность источника нагрева и скорость его перемещения вдоль объекта контроля.

Средства контроля температуры

Термометры

Эти приборы можно разделить на: жидкостные, манометрические, тер­мопары, термометры сопротивления, термоиндикаторы.

Действие жидкостных термометров основано на термическом расши­рении жидкости, заключенной в капилляре термометра.

Их выпускают в различных модификациях для температурного диапазо­на 0 ... 500 ⁰С. Изготовляют также термометры специального назначения, например электроконтактные, используемые для регулирования техно­логических процессов, и максимальные (минимальные), предназначенные для регистрации максимальной (минимальной) температуры в данный период.

Жидкостные манометрические термометры используют для измерений температур в области от -160 до + 320 ⁰С (ртутные от -25 до +600 ⁰С).

Рабочая жидкость: ртуть, метаксилол, силиконовые жидкости, металлы с низкой точкой плавления.

Действие манометрических термометров основано на зависимости между температурой и давлением рабочего вещества (обычно газа), заклю­ченного в замкнутом объеме.

Газовые манометрические термометры предназначены для измерения температур в пределах от -160 до +600 ⁰С. Рабочим веществом обычно яв­ляется азот.

Действие термометров сопротивления основано на измерении элек­трического сопротивления вещества (металлов и их окислов, солей и т.д.) в зависимости от температуры.

Чувствительный элемент термометра сопротивления (обычно металли­ческая проволока) закреплен на каркасе из слюды или кварца и помещается в баллон для защиты датчика от окружающей среды. В зависимости от условий применения термометра баллон изготовляют из кварца, стекла, фарфора или металла.

Термометры сопротивления изготовляют из платины (-200 до +650 ⁰С), меди (от 50 до + 180 ⁰С) или полупроводников. Инерционность термометров сопротивления колеблется от 1 мин до 9 с.

Погрешность эталонных платиновых термометров сопротивления равна ±0,0001 ⁰С при 0 ⁰С и ±0,001 ⁰С при +100 ⁰С.

Работа термоэлектрических термометров основана на термоэлектриче­ском эффекте, возникающем в термопаре.

Термопарой или термоэлементом называют цепь из двух разнородных электрических проводников (термоэлектродов), концы которых соединены (сваркой, пайкой и т.п.). При наличии разности температур в местах со­единения термоэлектродов в цепи генерируется термо-ЭДС.

Значение ЭДС зависит только от температуры спаев и материала термо­электродов, но не зависит от диаметра и длины проводников и распределения температуры по их длине.

Если температура одного из концов термопары постоянная (например, он по гружен в воду с тающим льдом или термостабилизирован другим способом), то ЭДС зависит только от температуры ее рабочего конца.

Наиболее известные материалы термоэлектродов - платина, железо, мо­либден, вольфрам, медь, магнанин, платинородии, хромель, копель, алюмель, константан.

Волоконно-оптические термометры (ВОТ) - выполняются из кварце­вого моноволокна диаметром 0,2 ... 1 мм, длиной до 100 м, на торце которого, вводимого в контролируемый объем, располагается микрокапсула с веще­ством, изменяющим свои оптические свойства при нагреве (люминофор, жид­кий кристалл, двупреломляющийся кристалл и т.д.). На другом конце распо­лагаются источник света (обычно светодиод) и фотодиод для регистрации из­лучения, огражденного от капсулы термодатчика.

Действие термоиндикаторов основано на изменении агрегатного со­стояния, яркости и цвета свечения некоторых веществ при нагреве. С их по­мощью можно быстро и экономично получить информацию о тепловом режи­ме объекта. Преимуществом термоиндикаторов является возможность запо­минания распределения температур в процессе испытаний, простота и нагляд­ность, экономичность.

К недостаткам термоиндикаторов следует отнести инерционность, срав­нительно невысокую точность, необходимость нанесения на изделие специ­альных покрытий, сложность изучения динамических температурных режи­мов. Включение их в системы терморегулирования представляет значитель­ные трудности.

Различают: термохромные, жидкокристаллические, плавящиеся, люми- нофорные термоиндикаторы.

Пирометры

Пирометры - бесконтактные дистанционные измерители температуры.

Действие пирометров излучения основано на фотоэлектрической, визу­альной и фотографической регистрации интенсивности теплового излучения нагретых тел, пропорционального их температуре. Пирометры обычно имеют объектив для фокусировки излучения на фотодетектор, светофильтры и блок электронной обработки сигнала. Калибровка пирометров проводится по эта­лонным источникам (абсолютно черное тело А ЧТ, пирометрические лампы и т.д.).

Яркостными пирометрами измеряют спектральную яркость объекта на определенной длине волны, которая сравнивается с яркостью АЧТ. В каче­стве АЧТ используется спираль специальной лампы накаливания. Яркостные пирометры применяют для измерения высоких температур (св. 600 ⁰С), при которых тела начинают излучать в видимой области, а интенсивность излуче­ния достаточна для его регистрации в узком спектральном диапазоне визуаль­но или с помощью фотоприемников типа ФЭУ, фотодиода.

Цветовыми пирометрами измеряют интенсивность излучения объекта в двух узких зонах спектра, отношение которых сравнивается с соответствую­щим отношением для А ЧТ. Показания цветовых пирометров не зависят от коэффициента излучения объектов.

Радиационные пирометры, работающие в широком спектральном диапазоне, наиболее часто используют для измерения температуры слабона­гретых тел.

Широкое применение находят волоконно-оптические телевизионные пирометры. Они обладают рядом преимуществ - возможностью усиления контраста изображения, высоким качеством изображения, возможностью его размножения на несколько телевизионных приемников и на большом удале­нии от объекта.

Тепловизионная аппаратура

В основу принципа действия тепловизионных приборов положено двух­мерное преобразование собственного теплового излучения от объектов и местности, или фона, в видимое изображение, что является одной из высших форм преобразованияи хранения информации. Наличие в поле зрения реги­стрируемого теплового контраста позволяет визуализировать на мониторе по­лутоновые черно-белые, или адекватные им «псевдоцветные», тепловизион- ные изображения.

Тепловизионная техника обладает рядом достоинств и присущих только ей возможностей: обнаружение удаленных только теплоизлучающих объек­тов (или целей) независимо от уровня естественной освещенности, а также до определенной степени - тепловых и других помех (дождя, тумана, снегопада, пыли, дыма и др.).

Структурная схема тепловизора с оптико-механическим сканированием включает приемную оптическую систему 1, детектор ИК-лучей 2, сканирую­щую систему 3, обеспечивающую последовательный просмотр объекта по за­данному закону, усилитель 4, систему развертки и синхронизации 5 и кине­скоп 6 (рис. 15).

Рис. 15. Структурная схема сканирующего тепловизора с охлаждаемым одноэле­ментным приемником излучения: 1 - оптическая система; 2 - приемник излучения; 3 - сканирующее устройство; 4 - усилитель; 5 - система развертки и синхронизации; 6 - изображение теплового поля

Принцип действия тепловизора заключается в просмотре по заданному закону движения поверхности объекта узким оптическим лучом с угловым размером 8, сформированным системой объектив - приемник. Обзор происхо­дит в пределах угла поля зрения за время Т, которое принято называть време­нем кадра. Угол а носит название мгновенного угла поля зрения.

Тепловизор позволяет выделять на тепловом изображении объекта об­ласти одинаковых температур с помощью изотерм, высвечивающихся на ки­нескопе. В нижней части кадра формируется серая шкала, которая использу­ется для измерения температуры. При этом яркость отдельных участков изоб­ражения объекта сравнивают с яркостью элементов шкалы, для которой при калибровке прибора определяют температурный перепад, соответствующий переходу от белого до черного.

Применение в тепловизорах узкополосных фильтров, прозрачных на длине волны 3,39 мкм, где имеется окно прозрачности газа СО2, позволяет фиксировать ИК-излучение через пламя. Наличие линзовой оптики позволяет легко изменять увеличение системы сменой объективов.

Тепловизоры обычно имеют черно-белые или цветные видеомониторы и устройства аналоговой и цифровой обработки изображения (выделение изо­терм, обращение контраста, представление в псевдоцветах, термопрофильное квазиобъемное представление теплового поля и т.п.).

В последнее время широко применяют тепловизионные системы с бло­ками цифровой памяти, имеющие интерфейс и работающие в комплексе с мини-ЭВМ.

Рис. 16. Портативные тепловизоры

Тепловизоры этого класса делятся на наблюдательные (показывающие) и измерительные (термографы).

Наблюдательные - предназначены, в основном, для обнаружения и ви­зуализации на фоне тепловых помех удаленных теплоизлучающих объектов (или целей). Иногда они дополнительно содержат два встроенных автоном­ных канала - пирометрический с лазерным целеуказателем и телевизионный, что позволяет им частично выполнять измерительные функции.

Измерительные - используются преимущественно для квалифицирован­ной диагностики промышленных объектов. Температура в любом участке изображения оценивается по приводимой на экране монитора полутоновой или цветовой шкале.

Каждый из этих подклассов тепловизоров имеет свою специфику прак­тического применения (нишу) и свои эксплуатационные возможности.

Перспектива развития тепловизионных систем заключается в создании спектральных цифровых камер, в том числе стереоскопических, а также раз­работке радиотепловизионных приборов для диапазона длин 0,1 ... 1 мм, в ко­тором многие диэлектрики прозрачны, и представляется возможность изме­рять их внутреннюю температуру.