Автор: Клюев В.В. Вавилов В.П.
Теги: испытания материалов товароведение силовые станции общая энергетика техника и технические науки в целом физика электроника электричество теплофизика неразрушающий контроль
ISBN: 5-217-03237-5
Год: 2004
Текст
/<Р\СПРАВОЧНИК НЕРАЗРУШАЮЩИЙ
КОНТРОЛЬСправочник в 7 томах
под редакцией чл.-корр. РАН
В.В. КЛЮЕВАТом 5В.П. ВавиловТЕПЛОВОЙ КОНТРОЛЬКнига 1K.B. Подмастерьев, Ф.Р. Соснин, С.Ф. Корндорф, Т.И. Ногачева,
E.B. Пахолкин, Л.А. Бондарева, В.Ф. МужицкийМОСКВА “МАШИНОСТРОЕНИЕ” 2004
УДК [681.2+6201(035)
ББК 30.82
Н 54Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева.
Н 54 Т. 5: В 2 кн. Кн. 1: Тепловой контроль. /В.П. Вавилов. Кн. 2: Электриче¬
ский контроль. /К.В. Подмастерьев, Ф.Р. Соснин, С.Ф. Корндорф, Т.Н. Ногаче-
ва, Е.В. Пахолкин, JI.A. Бондарева, В.Ф. Мужицкий. - М.: Машиностроение,
2004. - 679 с.: ил. и цветная вкладка 24 с.В первой книге рассмотрены физические модели теплового контроля (ТК), теплопередача в де¬
фектных и бездефектных структурах, теплофизические свойства материалов, оптимизация процедур
ТК, тепловая дефектометрия, обработка данных в ТК, системы активного и пасссивного ТК, элемен¬
ты статистической оценки данных и принятия решений, области применения ТК, аттестация специа¬
листов в области ТК, нормативные документы, типовая программа подготовки персонала по ТК и
рекомендуемые вопросы общего экзамена по ТК.Во второй книге рассмотрены основы электрического неразрушающего контроля, свойства
электрических материалов, методы и средства измерения электрических величин и способы реали¬
зации электрического контакта, прежде всего с подвижными элементами объектов контроля; раз¬
личные электропараметрические методы (электрорезистивные, электроемкостные, электропотенци-
альные, электростатические порошковые и др.) и генераторные методы (термоэлектрические, трибо¬
электрические, электрофлюктуационные и др.) электрического НК. Для каждого из методов изложе¬
ны: назначение, область применения, принцип контроля, сущность, разновидности и особенности
технической реализации с примерами конкретных средств НК.Для специалистов промышленности, работников служб контроля, эксплуатации и ремонта, а
также для специалистов, обслуживающих медицинскую и таможенную технику, может быть поле¬
зен преподавателям и студентам вузов.ISBN 5-217-03237-5(Т. 5. кн. 1, кн. 2) © НИИИН МНПО «Спектр», 2004ISBN 5-217-03185-9 © Издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 2004
ОГЛАВЛЕНИЕКнига 1. ТЕПЛОВОЙ3.5. Трехмерная адиабатиче¬9ская задача ТК 3.6. Обобщенная трехмерная
модель ТК (трехслойная анизо¬
тропная неадиабатическая82ПРЕДИСЛОВИЕ 9пластина с произвольными ем¬
костными дефектами) 84Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ3.7. Условия обнаружения сиг¬ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ..12налов от внутренних дефектов851.1. Терминология ТК 1.2. Модели активного ТК..12203.8. Основные функциональ¬
ные зависимости температур¬
ных сигналов от параметров1.3. Базовые процедуры ТК24изделия и дефекта при им¬
пульсном ТК 3.9. Оптимальные параметры86Глава 2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В БЕЗ¬обнаружения. Примеры 104ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУ¬ЗЛО. Развитые модели ТК 109РАХ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕ¬ПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРА¬КТЕРИСТИК МАТЕРИА¬Глава 4. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПА¬ЛОВ 26РАМЕТРОВ СКРЫТЫХ ДЕ¬
ФЕКТОВ (ТЕПЛОВАЯ ДЕ¬2.1. Механизмы теплопередачи26ФЕКТОМЕТРИЯ) ..11722. Дифференциальное урав¬нение теплопроводности 284.1. Дефектометрия на основе2.3. Теплофизические характе¬анализа температурного откли¬ристики (ТФХ) материалов 30ка на передней поверхности2.4. Классические решенияпластины после импульсноготеории теплопроводности 32нагрева 1172.5. Информативные парамет¬4.2. "Индивидуальные" функ¬ры ТК 37ции инверсии 1202.6. Прямые и обратные задачи4.3. Обобщенные формулы ин¬ТК 41версии 1202.7. Анализ классических ре¬4.4. Упрощенные формулы ин¬шений теории теплопроводно¬версии 121сти 434.5. Тепловая дефектометрия
резистивных дефектов в про¬
странстве Лапласа 123Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕ¬4.6. Тепловая дефектометрияФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХпутем минимизации функцио¬И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРО¬нала невязки (метод нелиней¬ЦЕДУР ТЕПЛОВОГО КОН¬56ной фильтрации) 125ТРОЛЯ 4.7. Определение поперечных3.1. Методы решения задач ТК56размеров дефектов 1273.2. Одномерные модели ТК...643.3. Двухмерные модели ТК...79Глава 5. АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТ¬3.4. Простая трехмерная мо¬КИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬ¬дель обнаружения поверхност¬НЫХ ДАННЫХ В ТЕПЛО¬ной вертикальной трещиныВОМ КОНТРОЛЕ 133при нагреве полупространствадвижущимся тепловым источ¬5.1. Метод оптимального на¬ником 81блюдения 133
4ОГЛАВЛЕНИЕГлаваГлава5.2. Метод раннего наблюде-7.2. Коммерческие системы ТК1991337.3. Источники тепловой сти¬5.3. Метод динамической теп¬муляции объектов ТК 203ловой томографии (макси-7.4. Системы построения изо¬граммы и таймограммы) 134бражений в ИК-диапазоне (те¬5.4. Адаптивная тепловая то¬пловизоры) 209мография 1377.5. Приемники оптического5.5. Метод импульсной фазо¬излучения 210вой термографии (Фурье-ана-7.6. Оптика тепловизоров 220лиз температурной динамики).1387.7. Основные характеристики5.6. Метод вейвлет (волновых)-тепловизоров 222образов 1437.8. Современные тепловизоры2245.7. Тепловая дефектометрия..1457.9. Линейные ИК-сканеры 2435.8. Количественная оценка7.10. Инфракрасные термомет-скрытой коррозии 1462455.9. ИК-термография на тепло¬7.11. Эталонные источники (мо¬вых волнах * . .146 'дели АЧТ) 2495.10. Аппроксимация и сгла¬7.12. Контактные датчики тем¬250живание динамических темпе¬пературы ратурных функций 1505.11. Нормализация динамиче¬ских термограмм 157Глава 8. ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИС¬5.12. Метод движущегося ис¬ТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАН¬точника 160НЫХ И ПРИНЯТИЯ РЕ-5.13. Комбинирование ТК и дру¬ШЕНИЙ 257гих методов НК (синтез данных)1658.1. Параметры обнаружения5.14. Анализ тепломеханиче¬168дефектов в ТК 257ских эффектов в твердых телах8.2. Статистические показатели5.15. Элементы искусственногопринятия решений 257интеллекта в ТК (нейронные1728.3. Карта дефектов 264сети) 8.4. Распознавание образов в ТК2655.16. Метод анализа главных8.5. Шумы вТК 267компонент....... 1745.17. Стандартная обработкаИК изображений 175Глава 9. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕ¬
НИЯ ТЕПЛОВОГО КОН¬
ТРОЛЯ ..2726. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ9.1. Административные, про¬ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ179279изводственные и жилые здания6.1. Краткий обзор развития9.2. Активный НС произведе¬291ИК техники и тепловидения ...179ния искусства 6.2. Базовые понятия теории9.3. Дымовые трубы 295теплового излучения 1829.4. Электротехнические уст-9.5. Теплотехнические у строй-2987. СИСТЕМЫ АКТИВНОГО307И, ПАССИВНОГО ТЕПЛО¬9.6. Атомные станции 313ВОГО КОНТРОЛЯ 1999.7. Авиакосмическая техника9.8. Нефтехимическое произ-3137. К Системный подход к про¬330ектированию устройств актив¬9.9. Радиоэлектроника 333ного ТК * 1999.10. Листовой металлопрокат336
ОГЛАВЛЕНИЕ59.11. Сварные и паяные соеди¬
нения 3389.12. Прогнозирование срока
службы режущего инструмента
определением его интеграль¬
ной температуропроводности.. 3449.13. Обнаружение коррозии в
массивных металлических объ¬
ектах 3469.14. А втомобилестроение 3479.15. Целлюлозно-бумажное про¬
изводство 3489.16. Судостроение (компози¬
ционные материалы) 3489.17. Пищевая промышлен¬
ность 3489.18. Утечки газо- и нефтепро¬
дуктов из трубопроводов и
резервуаров 3499.19. ИК-аэросъемка 3509.20. Обнаружение противопе¬
хотных и противотанковыхмин 3529.21. Системы наблюдения и
охраны 3549.22. Военная техника 3549.23. Медицина 3559.24. Прочие области 358Глава 10. АТТЕСТАЦИЯ СПЕЦИ¬
АЛИСТОВ В ОБЛАСТИ ТК
И НОРМАТИВНЫЕ ДО¬
КУМЕНТЫ 36010.1. Порядок аттестации опе-
раторов-термографистов в Рос¬
сии 36010.2. Нормативная документа¬
ция в области ТК 361СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 365ПРИЛОЖЕНИЯ 3741. Типовая программа подготовки
персонала неразрушающего контроля по
тепловому методу (система экспертизы
промышленной безопасности Гостех¬
надзора РФ) 3752. Рекомендуемые вопросы общего
экзамена по тепловому контролю 382Книга 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
КОНТРОЛЬ 395ВВЕДЕНИЕ (К.В. Подмастерьев) 395Глава 1. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО(Ф.Р. Соснин) 3981.1. Электростатика. Основные
понятия* 3981.2. Системы физических вели¬
чин и единиц, их размерности 3991.3. Электростатические вели¬
чины 4001.4. Электрический ток. Ос¬
новные понятия 4051.5. Величины, характеризую¬
щие электрический ток 406Глава 2. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ И ИХ СВОЙ¬
СТВА {Ф.Р. Соснин) 4102.1. Электропроводность 4102.2. Проводниковые материалы 4122.3. Диэлектрики 414Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИ¬
ЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН(С. Ф. Корндорф, ТМ. Ногачева) 4193.1. Измерение тока и напря¬
жения 4193.1.1. Электромеханические при¬
боры 4193.12. Электронные вольтметры 4233.1.3. Цифровые приборы 4283.1.4. Компенсационные при¬
боры 4293.2. Осциллографический ме¬
тод 4323.2.1. Общие сведения 4323.2.2. Классификация и осо¬
бенности применения элек¬
тронных осциллографов 4393.2.3. Особенности современ¬
ных электронных средств 4413.3. Мостовые методы измере¬
ния параметров электрических
цепей 4433.3.1. Общие сведения и клас¬
сификация 4433.3.2. Мосты переменного тока 4473.3.3. Трансформаторные мос¬
ты 450
6ОГЛАВЛЕНИЕ3.3.4. Фазочувствительные мос¬
ты 4513.3.5. Специальные схемы мос¬
тов 4553.3.6. Цифровые мосты 4573.4. Резонансные методы из¬
мерения 4583.4.1. Общие сведения 4583.4.2. Измерение емкости и
индуктивности 4593.4.3. Измерение активных
сопротивлений 4623.4.4. Измерение частоты 4623.4.5. Куметры 463Глава 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОН¬
ТАКТЫ (КВ. Подмастерьев) 4664.1. Общие понятия и класси¬
фикация 4664.2. Скользящие контакты с
граничным трением 4684.2.1. Параметры, характери¬
стики и конструкции контактов 4684.2.2. Триботехнические аспек¬
ты электрических контактов... 4704.2.3. Материалы для скользя¬
щих контактов 4724.2.4. Пути повышения работо¬
способности слаботочных сколь¬
зящих токосъемников 4804.3. Жидкостные коммутиру¬
ющие устройства 4874.4. Бесконтактные коммути¬
рующие устройства 4904.4.1. Устройства с индуктив¬
ным каналом связи 4914.4.2. Устройства с емкостным
каналом связи 4944.4.3. Устройства с оптическим
каналом связи 497Глава 5. ЭЛЕКТРОПОТЕНЦИАЛЬ¬
НЫЙ И ЭЛЕКТРОИСКРО¬
ВОЙ МЕТОДЫ
(Ф.Р. Соснин, КВ. Подмас¬
терьев ) 4985.1. Электропотенциальный ме¬
тод 4985.1.1. Физические основы 4985.1.2. Теоретические основы ... 4995.1.3. Области использования.. 5015.1.4. Технические основы 5025.2. Электроискровой метод.... 5035.2.1. Физические основы 5035.2.2. Технические основы 504Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕ¬
СКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ(КВ. Подмастерьев) 5086.1. Контроль металлических
изделий 5086.2. Кондуктометрический кон¬
троль неметаллических мате¬
риалов 5106.2.1. Методы и средства ана¬
лиза жидкостей и газов 5116.2.2. Методы и средства кон¬
троля содержания влаги в
твердых, жидких и газообраз¬
ных материалах 5176.3. Контроль толщины сма¬
зочных пленок 5216.4. Контроль трибосопряже¬
ний и трибодиагностика 5236.4.1. Общие сведения и физи¬
ческие основы 5236.4.2. Контролируемые парамет¬
ры и модели 5256.4.3. Методы и средства де¬
фектоскопии 5306.4.4. Методы и средства кон¬
троля отклонений формы по¬
верхностей 5386.4.5. Методы и средства ком¬
плексного контроля подшип¬
ников и опор качения 5406.4.6. Методы выделения ин¬
формации о состоянии ОК вузле 5446.4.7. Вид и величина подво¬
димого к ОК напряжения 5486.5. Контроль температуры..... 551Глава 7. ТЕНЗОРЕЗИСГИВНЫЕ МЕ¬
ТОДЫ(Ф.Р. Соснин, Е.В. Пахолкин).. 5567.1. Общая характеристика ме¬
тода тензометрии и тензо¬
резистивных преобразователей 556
ОГЛАВЛЕНИЕ712. Тензорезистивный эффект 5597.3. Преобразование выходного
сигнала тензорезистора 5607.4. Классификация и основные
параметры тензорезисторов... 5617.5. Характеристика промыш¬
ленных тензорезисторов 5637.6. Особенности применения
тензорезисторов 5657.7. Измерения при разных
видах нагружения 5707.8. Тенденции развития тензо-
резистивных методов и средствНК 573Глава 8. ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЕМЕТОДЫ (Л.А. Бондарева)... 5768.1. Общие сведения и физиче¬
ские основы 5768.2. Области использования.... 5788.3. Теоретические основы 5788.3.1. Параметры емкостного
преобразователя 5788.3.2. Диэлькометрический ме¬
тод 5838.3.3. Учет краевого эффектаобкладок конденсатора 5878.4. Основы технической реа¬
лизации 5908.4.1. Схемы построения и
конструкции преобразователей 5908.4.2. Измерительные цепи
емкостных преобразователей... 596Глава 9. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕМЕТОДЫ (Т.И. Ногачева) .... 5989.1. Термоэлектрические явле¬
ния 5989.2. Измерение термоэлектри¬
ческих параметров материалов 6049.2.1. Общие положения 6049.2.2. Измерение коэффициен¬
та Томсона 6059.2.3. Измерение термоэлек¬
трической способности мате¬
риалов 6079.2.4. Измерение абсолютныхкоэффициентов Пельтье 6109.3. Измерение температуры
термопарами 6129.3.1. Физические и теоретиче¬
ские основы 6129.3.2. Основы технической реа¬
лизации 6279.3.3. Средства измерения тер¬
моЭДС 6319.3.4. Специальные схемы
включения термопар 6339.4. Использование естествен¬
ных термопар при НК 6349.4.1. Общие положения 6349.4.2. Контроль температуры в
зоне резания 6359.4.3. Контроль скорости из¬
нашивания режущего инстру¬
мента 6359.4.4. Контроль температуры
при холодной прокатке мате¬
риалов 6369.4.5. Контроль сплошности
покрытия биметаллической
проволоки 6379.4.6. Контроль температуры взоне трения 6379.5. Средства термоэлектриче¬
ского НК 6409.5.1. Общие принципы
построения 6409.5.2. Примеры конструктив¬
ных решений 6449.5.3 Промышленные средства
термоэлектрического НК 644Глава 10. ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕ¬
СКИЙ, ЭЛЕКТРОСТАТИ¬
ЧЕСКИЙ ПОРОШКОВЫЙ
МЕТОДЫ И МЕТОД ЭКЗО-ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИС¬
СИИ(Ф.Р, Соснин, В.Ф. Мужацкий,Е.В. Пахолкин) 65210.1. Трибоэлектричество 65210.2. Трибоэлектрические ме¬
тоды контроля трибосопряже-ний 65310.2.1. Физические основы 653
8ОГЛАВЛЕНИЕ10.2.2. Объекты и методы кон¬
троля. 65510.2.3. Специфика технических
средств 65910.3. Электростатический по¬
рошковый метод.... 66010.4. Методы экюэлектронной
эмиссии 661Глава И. ЭЛЕКТРОФЛЮКТУА-
ЦИОННЫЕ МЕТОДЫ(С.Ф. Корпдорф) 66411.1. Физические основы и
классификация методов......... 66411.2. Теплоэлектрофлюктуаци-
онные методы 66511.3. Генерационно-рекомби¬
национные методы 66911.4. Флюктуации дробовые,
фликкер и контактные 670СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 672ПРИЛОЖЕНИЯ 673К Электрический контроль (ЭК).
Типовая программа подготовки персонала
неразрушающего контроля 6742. Электрический контроль (ЭК).
Требования к продолжительности под¬
готовки (обучения) персонала неразру¬
шающего контроля 678
ПРЕДИСЛОВИЕТемпература, как количественный
показатель внутренней энергии тел, явля¬
ется универсальной характеристикой объ¬
ектов и процессов физического мира, в
котором непрерывно происходит генера¬
ция, преобразование, передача, накопле¬
ние и использование энергии в ее различ¬
ных формах. Анализ тепловых процессов
(температурных полей, потерь тепла и
т.п.) позволяет получить разнообразную
информацию о состоянии объектов и про¬
текании физических процессов в природе,
энергетике, строительстве, про¬
мышленности и медицине.Идеи теплового контроля (ТК) вос¬
ходят к началу XX века, хотя первые по¬
пытки дистанционного обнаружения жи¬
вотных и людей по их инфракрасному
(ИК) излучению с помощью термопарных
датчиков были сделаны еще в XIX веке
[11. В 1914 г. Р* Паркер получил патент на
ИК-детектор айсбергов. В 1934 г. Г. Бар¬
кер предложил использовать ИК-датчики
для обнаружения лесных пожаров. Одно
из первых промышленных применений
ИК техники было связано с анализом тем¬
пературных полей горячекатаных метал¬
лических листов (Дж. Никольс, 1935). Со¬
временный анализ теплофизических
свойств материалов восходит к работе
П. Верно, опубликованной в 1937 г. [2].
Начиная с 60-х годов XX века, во многом
благодаря появлению на рынке коммерче¬
ских тепловизоров шведской фирмы AGA
(затем AGEMA Infrared Systems, в на¬
стоящее время американская фирма FL1R
Systems), тепловидение стало широко ис¬
пользоваться при испытаниях электротех¬
нических установок и радио-электронных
компонент. По-видимому, одна из первых
процедур динамического ТК была реали¬
зована в 1965 г. У. Беллером, которыйпредложил контролировать корпуса дви¬
гателей ракеты "Иоларис" путем переме¬
щения их из холодного помещения в теп¬
лое [3]. Д. Грин выполнил исследование
по активному ТК тепловыделяющих эле¬
ментов ядерных реакторов, в котором ре¬
шил проблему учета коэффициента излу¬
чения.К концу 70-х годов XX века приме¬
нения ИК-техники в НК оставались скорее
качественными, что не позволило тепло¬
вому методу успешно конкурировать с
другими методами НК. Новый уровень
использования ТК стал возможным с вне¬
дрением достижений теории теплопро¬
водности. основы которой изложены в
известных монографиях X. Карслоу и
Д. Эгера [4] и А.В. Лыкова [51* "Теплофи¬
зический" подход к ТК использовали в
своих работах Д. Балажа, В.П. Вавилов и
Р. Тейлор, П. Маклафлин и X. Мирчанда-
ни, Ю.А. Попов и А.Е. Карпельсон и дру¬
гие исследователи, которые ввели в рас¬
смотрение одно-, двух- и трехмерные мо¬
дели дефектов [6-9].При анализе технологических про¬
цессов (близкий англоязычный термин:
condition monitoring) и техническом об¬
служивании систем и установок (predictive
maintenance) ИК-диагностику уже в тече¬
ние длительного времени рассматривают
как сложившийся практический метод,
экономическая эффективность которого
не подлежит сомнению. Однако при НК
материалов развитие теплового метода
долгое время сопровождалось поочередно
сменявшимися оптимистическими и пес¬
симистическими прогнозами. В последние
годы новый интерес к ТК обусловлен как
появлением на рынке тепловизоров нового
типа, так и возросшими возможнос1ями
компьютерной обработки ИК-изобра-
10ПРЕДИСЛОВИЕжений, что позволяет реализовать на
практике потенциальные преимущества
ТК.В настоящее время ИК-диагносгика и
методы теплового НК представляют высо¬
котехнологичную область прикладных
исследований, которая объединяет дости¬
жения в теории теплопередачи, ИК-
технологии и компьютерной обработки
экспериментальных данных. Сохраняю¬
щийся интерес к ТК обусловлен его уни¬
версальным характером, высокой произ¬
водительностью и безопасностью обслу¬
живания ИК аппаратуры.В области испытаний слоистых, ком¬
позиционных и сотовых материалов ТК
рассматривают скорее как скрининговый,
т.е. обзорный, нежели самостоятельный,
метод. В будущем положительные резуль¬
таты возможны при комбинировании теп¬
лового и ряда других методов НК, в осо¬
бенности, таких как ультразвукового и
голографического (с этими методами теп¬
ловой объединяют ряд общих физических
аспектов, а в ряде случаев общие элемен¬
ты аппаратурной базы).Цель издания - последовательное
изложение основ метода ТД и НК, связан¬
ного с исследованием температурных (те¬
пловых) полей объектов контроля. Тепло¬
вые методы контроля представляют собой
комплексную научно-техническую дисци¬
плину, включающую элементы материа¬
ловедения, теории теплопередачи, теории
теплового излучения, проектирования оп¬
тоэлектронных устройств, обработки изо¬
бражений, статистической обработки дан¬
ных и теории принятия решений. Эти во¬
просы включены в справочник в том объ¬
еме, который, по мнению автора, необхо¬
дим для получения законченного пред¬
ставления о современном состоянии и
перспективах развития теплового контро¬
ля.Выпуск справочника по тепловому
контролю (ТК) отражает последователь¬
ные многолетние усилия Российского
Общества Неразрушающего Контроля и
Технической Диагностики (РОНКТД) посозданию серии справочников по различ¬
ным методам ТД и НК. Актуальность дан¬
ного издания обусловлена следующими
факторами.Во-первых, на рынке появились пор¬
тативные неохлаждаемые измерительные
тепловизоры, что существенно расширило
возможности ИК-съемок в задачах ТД.Во-вторых, комбинация мощных им¬
пульсных нагревателей и компьютерных
термографических систем, работающих в
реальном времени, позволила исследовать
тепловые процессы, которые развиваются
в течение весьма коротких интервалов
времени, что характерно для испытаний
высокотеплопроводных металлов и тонких
неметаллических покрытий. В течение
коротких интервалов времени диффузия
тепла не успевает сгладить температурные
градиенты, возникающие в объеме кон¬
тролируемого тела, поэтому качество ИК-
термограмм приближается к изображени¬
ям, получаемым с помощью радиацион¬
ных, ультразвуковых и других методов
НК.В третьих, на фоне прогресса компь¬
ютерной техники стало возможным разра¬
батывать и практически применять такие
процедуры испытаний, которые требуют
значительных вычислительных усилий; в
частности, сюда относятся задачи тепло-
вой дефектометрии, использующие ре¬
шения обратных задач математической
физики.Материал справочника основан на
анализе мировых достижений в области
ТК за последние два десятилетия и на пер¬
сональных результатах автора, многие из
которых получены в процессе сотрудни¬
чества с ведущими мировыми специали¬
стами: К. Мапдагом (Канада), Э. Гринца-
то, П. Бизоном и С. Маринетти (Италия),
Д. Берли, Р. Томасом и С. Фавро (США),
Т. Кауппиненом (Финляндия), И. Окамото
и А. Камой (Япония). Использованы мно¬
гочисленные обзорные и оригинальные
публикации автора в зарубежных изданиях,
включая соответствующие главы, включен¬
ные в справочник ASNT [11].
ПРЕДИСЛОВИЕ11Автор определяет вид настоящего
издания как "монографический справоч¬
ник", что отражает попытку объединить
материал справочного, т.е. устоявшегося
характера с новыми направлениями ис¬
следований в области теплового метода
НК. Список использованной литературы
включает наиболее существенные миро¬
вые публикации как последних лет, так и
более отдаленные, но рассматриваемые
автором в качестве краеугольных. Спра¬
вочник содержит английские оригиналы
специфических терминов, принятых в
англоязычной научно-технической лите¬
ратуре по ТК.Автор глубоко благодарен женеН.М. Вавиловой, В.А. Стороженко, со¬
трудникам Томского политехнического
университета: В.В. Ширяеву, А.И. Ивано¬
ву, С.Ю. Танасейчуку, М.А. Суханову, а
также главному инженеру муниципально¬
го предприятия жилищного хозяйства г.
Северска К.Д. Трофимову. Особую благо¬
дарность автор выражает А.Б. Упадышеву
и В.В. Коннову (НПО "Молния"), чья под¬
держка в 80-е годы прошлого века помог¬
ла в становлении ТК в Томском НИИ ин¬
троскопии.Раздел по применению теплового ме¬
тода в теплотехнике написан по материа¬
лам, любезно предоставленным сотрудни¬
ками ЗАО "ПАНАТЕСТ" М.А. Вихровыми С.А. Миловановым. Многие идеи, отно¬
сящиеся к описанию тонкостей процедур
теплового контроля, обсуждались с
Г. Буссе (Германия), Д. Балажа (Франция)
и С. Шепардом (США). Доброжелательная
помощь президента компании "Пергам"A.Г. Климова, а также сотрудников фирмы
FLIR Systems Т. Тенгесдаль и А. Томаса
также ощущалась автором на протяжении
многих лет исследований в области ИК-
термографии.В части ТД строительных сооруже¬
ний, включая дымовые трубы, практиче¬
ские работы последних лет в России про¬
водились в сотрудничестве с предприяти¬
ем "Сибтехэнерго" (В.Г. Демин и В.Г. Ги-
левич), фирмами "Вемо" (О.Н. Будадин и
Е.В. Абрамова) и "Оргрэс" (А.Н. Алексан¬
дров). На содержание книги оказали влия¬
ние беседы с разработчиками и потреби¬
телями ИК-технологий: А.В. Ковалевым,B.Г. Федчишиным, А.А. Кетковичем,
П.А. Морозовым и С.П. Морозовой, Кар¬
лосом Велесом, В.В. Рейно, В.А. Воробье¬
вым и многими другими, а также добро¬
желательное внимание к развитию тепло¬
вого метода президента РОНКТД
В.В. Клюева.Замечания и предложения по спра¬
вочнику автор примет с благодарностью
(Россия, 634028, г. Томск, 28, ул. Сави¬
ных, 7, НИИ интроскопии).
Глава 1
ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ—— ■ —i——————— ■—1.1. ТЕРМИНОЛОГИЯ ТКТерминОпределениеОбщие терминыСтационарный
(steady-state, stationary)Температура не изменяется во времениНестационарный, динамический
(transient, dynamic)Температура изменяется во времениДифференциальное уравнение
теплопроводности параболиче¬
ского типа (differential parabolic
equation of heat conduction)а V2 Г-3773т;
а-температуропроводностьДифференциальное уравнение
теплопроводности гиперболи¬
ческого типа(differential hyperbolic equation
of heat conduction)а V2 Т= (dTldi) ь тг (сРТ/дт?):
х, время релаксацииТермография(thermography)Метод анализа пространственного и временного
распределения тепловой энергии (температуры) в
физических объектах, сопровождающийся, как пра¬
вило, построением тепловых изображений (термо¬
грамм)Инфракрасная термография
(infrared thermography)Термография, осуществляемая исследованием теп¬
лового излучения объектовТепловидениеСм, Инфракрасная термографияВизуализация фононногоизлучения(phonon imaging)Визуализация баллистических фононов. распростра¬
няющихся в чистых кристаллах при низких темпера¬
турах (см. Дифференциальное уравнение тепло¬
проводности гиперболического типа)Тепловой неразрушающийконтроль(thermal NDT)Испытания материалов исследованием тепловых
потоков (температурных полей). В отличие от тех¬
нической диагностики термин относится к случаям,
когда температура обьекга контроля перед испыта¬
нием равна температуре окружающей среды, поэто¬
му необходима тепловая стимуляция объектаИнфракрасный неразрушающийконтроль(infrared NDT)Испытания материалов по их инфракрасному (теп¬
ловому) излучению: как правило, этот термин иден-
1ичен термину Тепловой неразрушающий контроль)
ТЕРМИНОЛОГИЯ ТК13Продолжение таб.1.1.1ТерминОпределениеОбщие терминыТермографический неразру¬
шающий контроль
(thermographic NDT)Испытания материалов с применением термографии
(тепловидения); как правило, термин идентичен
термину Тепловой неразрушающий контрольАктивный тепловой контроль
(stimulated, forced, active, tran¬
sient)Испытания материалов с использованием дополни¬
тельного источника тепловой стимуляцииПассивный тепловой контроль
(passive)Дополнительный источник тепловой стимуляции
отсутствуетТепловой НК "на отражение”,
односторонняя техника (reflec¬
tion mode, front-surface or one¬
sided test)Тепловую стимуляцию объекта и регистрацию тем¬
пературы осуществляют на одной и той же поверх¬
ности образцаТепловой контроль ”на про¬
свет” (transmission mode, rear
surface or two-sided test)Тепловую стимуляцию объекта и регистрацию тем¬
пературы осуществляют на противоположных по¬
верхностях образцаПрямая задача ТК
(direct problem)Для известной конфигурации объекта и дефектов
(известных теплофизических характеристик ТФХ)
рассчитывают изменения температуры во времени и
пространствеОбратная задача ТК
(inverse problem)Г1о экспериментально регистрируемым изменениям
температуры во времени и пространстве определяют
конфигурацию и/или ТФХ объекта контроля и де¬
фектовДефектометрия
(defect characterization,
identification)Определение параметров дефекта по эксперимен¬
тальным данным с использованием алгоритмов ре¬
шения обратных задачТепловизионнаяквалиметрияСовокупность методов проведения тепловизионных
обследований различных технических объектов с
целью количественной оценки параметров и харак¬
теристик, определяющих их качествоПланарный дефект
(planar defect)Дефект, расположенный параллельно стимулируе¬
мой плоскости и создающий максимальное тепловое
сопротивление основному тепловому потокуФункция точечною распреде¬
ления (point-spread function)Распределение (поверхностной) температуры для
точечного заглубленного дефектаТепловой пакет
(heat packet)Пакет ("сгусток”) тепловой энергии, распростра¬
няющийся в объекте
14Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯПродолжение табл. 1.1ТерминОпределениеПроцедуры ТКАнализ в пространственной
области(space-domain analysis)Анализ амплитудных распределенийАнализ во временнбй области
(time-domain analysis)Анализ изменений сигналов во времениАнализ в частотной области
(frequency-domain analysis)Анализ частотного спектра температурных сигналовФотоакустический метод
(photoacoustic method)Разновидность ультразвукового метода НК, при ко¬
тором акустические сигналы возбуждаются с помо¬
щью оптического излучения (может рассматривать¬
ся как комбинация ультразвукового и теплового
методов)Фототермический (фототепло-
вой) метод (photothermal,
optothermal method)Тепловую стимуляцию объекта производят с помо¬
щью оптического излучения (как правило, возбуж¬
дают тепловую волну в локальной зоне малого раз¬
мера и производят сканирование объекта по точкам)Метод "миража”
("mirage" method)Разновидность фототермического метода, при кото¬
ром объект стимулируют с помощью модулирован¬
ного лазерного излучения, а температурные анома¬
лии измеряют по отклонению зондирующего лазер¬
ного луча, пересекающего зону нагреваИмпульсный ТК
(pulsed thermal NDT)Объект стимулируют с помощью теплового импульсаИмпульсный метод
(flash technique)Длительность тепловой стимуляции существенно
меньше характерного времени наблюдения; нагрев
производят с помощью импульсного лазера или им¬
пульсной лампы (см. Импульсный ТК)Метод тепловых волн
(thermal wave technique)Тепловую стимуляцию объекта производят перио¬
дическим (гармоническим) нагревом, в результате
чего в объекте возникают тепловые волны; темпера¬
туру регистрируют в квазистационарном режимеФототермическая ИК-термо-
графия(photothermal infrared
thermography)Разновидность фототермического метода; нагревают
значительный участок объекта контроля, а вместо
ИК-радиометра используют тепловизор (см. Фото-
термический метод)
ТЕРМИНОЛОГИЯ тк15Продолжение табл. 1.1ТерминОпределениеПроцедуры ТКЭхо-импульсный метод тепло¬
вых волн(pulse-echo thermal wave ap¬
proach)Температурные сигналы трактуют как результат
суперпозиции тепловых волн, отраженных от границ
разделов материалов с различными ТФХ (см. Им¬
пульсный ТК)Видеотермография(videothermography)Термография в реальном времени (в настоящее вре¬
мя термин не применяется)Импульсная видеотермография
(pulsed video thermography)Видеотермография при равномерном импульсном
нагреве больших зон (в настоящее время термин не
применяется)Дифференциальная термогра¬
фия(differential thermography)Выделение динамических компонент в термограм¬
ме, зачастую, вычитанием эталонного изображенияТермография при вынужденнойдиффузии тепла(forced diffusion thermography)Поток излучения распределенного нагревателя про¬
ектируют на объект контроля через маску решетча¬
той формы; объект контроля перемещают в поле
зрения тепловизораСинхронная ИК-термография
(lock-in IR thermography)Стимуляцию объекта производят тепловыми волна¬
ми сравнительно низкой частоты при синхронной
регистрации термограмм с выделением фазовых
характеристикИмпульсная фазовая термогра¬
фия (pulsed phase thermography)Обработка термограмм в частотной области с по¬
строением "фазограмм" (преимущественно с ис¬
пользованием преобразования Фурье)Синхронная ультразвуковая
термография(ultrasonic lock-in thermography)Исследование поверхностных температурных полей
в области дефектов при контактной стимуляции из¬
делия упругими периодическими УЗВ-волнамиИмпульсная ультразвуковая
термография, термозвуковой
метод(ultrasonic burst excitation, sonic
IR imaging, thermosonic method)Исследование поверхностных температурных полей
в области дефектов при контактной стимуляции из¬
делия импульсными УЗВ-волнамиВибротермография(vibrothermography)ИК-термография при механическом (вибрационном)
нагружении изделияРадиотепловой методАнализ изделия по его СВЧ-излучению в диапазоне
длин волн 1 ... ISO ммВихретокотепловой методРазновидность ТК, включающая радиоимпульсное
возбуждение металлов полем индуктора
16Глава!.ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯПродолжение табл. 1.1ТерминОпределениеПроцедуры ТКТсплоголографияСовместная регистрация термограмм и голографи¬
ческих интерферограмм изделия при нагреве (близ¬
кий западный термин: "shearography" - ширография)Метод вейвлет (волновых)-
функций(wavelet transformation)Разновидность импульсной фазовой термографии,
использующая разложение функции оригинала по
базисным вейвлет-функциямСинхронная фазовая термогра¬
фия (phase-locked IR imaging)Термин относится к термографии вращающихся
объектовФазочувствительная модуляци¬
онная гермография (phase-
sensitive modulation thermo¬
graphy)Термин относится к синхронной термографии (фа¬
зовые характеристики определяют в каждой точке
изображения с построением фазограммы)Тепловая (динамическая)гомография(thermal tomography)Послойное (томографическое) представление струк¬
туры объекта путем анализа гемиерагурных сигна¬
лов во временнбй области при одностороннем ТКИнфракрасная томография
(infrared tomography)Послойное (гомо1рафическое) представление струк¬
туры полупрозрачных объектов (газов) с использо¬
ванием принципов проективной компьютерной то¬
мографииПолиномиальная аппроксимация
(polynomial fitting)Аппроксимация изменения температуры во времени
с помощью полиномов с целью сглаживания шумов
и замены длинных экспериментальных последова¬
тельностей изображениями полиномиальных коэф¬
фициентовСинтетическая обработка сиг¬
нала(synthetic processing)Метод разработан для одностороннего импульсного
ТК и включает: 1) полиномиальную аппроксимацию
экспериментальных данных в логарифмических ко¬
ординатах; 2) восстановление последовательности
термограмм; 3) анализ первой и второй производной
от температуры по времениАдаптивная тепловая iomoi ра¬
фия(adaptive thermal tomography)Послойное (томографическое) представление струк-
гуры объекта пошаговым сближением эксперимен¬
тальных и теоретических данныхТехника "летающего пятна"
("flying spot" technique)ТК сканированием объекта тепловым стимулирую¬
щим пучком при синхронной регистрации темпера¬
туры в локальной зоне на фиксированном расстоя¬
нии от точки нагрева (скорость сканирования отно¬
сительно высока)
ТЕРМИНОЛОГИЯ ТК17Продолжение табл. 1.1ТерминОпределениеПроцедуры ТКТехника "ползущего пятна”
(,fcrawling-spotft technique)См. Техника "летающего пятна" (скорость сканиро¬
вания относительно низка)Метод гермоупругих испыта¬
ний(thermoelastic inspection)Обнаружение скрытых дефектов возбуждением в
объекте термоупругих механических напряженийМетод синхронной регисграции
сигнала, метод "временных во-
рот11(synchronous, lock-in, box-car,
time-gate, time-resolved tech¬
nique)Метод ТК, предусматривающий регистрацию сигна¬
ла в выбранном временном интервале при фиксиро¬
ванной задержке относительно нагреваМетод векторной синхрониза¬
ции(synchronous vector lock-in
technique)Усреднение во времени произведения текущего и
эталонного периодических сигналов, в результате
чего осуществляют узкополосную фильтрацию сиг¬
нала (подавление некогерентного шума)Инфракрасная радиометрия с
временным разрешением
(time-resolved infrared radiome¬
try, TRIR)Анализ временного развития сигнала
(см. Метод синхронной регистрации)Двухканальная термография
(dual-band IR imaging)Совместное применение коротко- и длинноволново¬
го каналов, в результате чего возможно разделение
информации о температуре и коэффициенте излуче¬
нияПрофилирование глубины
(depth profiling)Восстановление структуры объекта по глубине
(см. Глубинограмма)Информативные параметрыИнформативный параметр
(informative parameter)Параметр, используемый для принятия решения о
качестве изделия (см. Аначиз в пространственной,
временной, частотной областях)Температурный сигнал
(temperature signal)АТ(х.у\т) = 7*(х,у9т)-Тг^ (х9у9х) -амплитудный
информативный параметр; Trej (х,у9х) - эталонная
температураТекущий контраст температуры
(running temperature contrast)C™(xvt) = - *Пх-'.у'$- -Т(х,у,х)—Тц(х,у) ’Та Iх*)’) ~ начальная температура (температура ок¬
ружающей среды)
18Глава!.ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯПродолжение табл. 1.1ТерминОпределениеИнформативные параметрыНормализованный температур¬
ный контраст(normalized temperature contrast)<*>(w)- ■rfcy'xhT'k’Sh-Tref{x,y^)~Ta{x,y)(x9y9%^) - температура текущей точки в мо¬
мент времени т(л), принятая в качестве нормализую¬
щего значения. Момент времени т(п) соответствует
концу нагрева т*Контраст трехмерной фильтра¬
ции(3D filtering contrast)С»,хгЛ- гтЬгЛ.
с (w)ЦГЬг.,)'Тсхр(х9у, т) — экспериментальная температурная
функция; Т*еог(х9у9 т) - теоретическая температур¬
ная функция, определенная для бездефектного изде¬
лия (температуры определены как избыточные от¬
носительно начальной температуры)Дифференцированный контраст
(differentiated contrast)Cdif[x, у, tW)= Т{х, у, т)- у, т«);т(л) — момент времени, относительно которого про¬
изводят нормализацию (термин введен на основе
классического решения для адиабатического нагрева
полупространства)Характерное время теплопере¬
дачи(heat transit time)Характерный момент т* во временнбм развитии тем¬
пературы, используемый для обнаружения дефекта
и дефектометрии (является временным информа¬
тивным параметром)Оптимальное время наблюде¬
ния(optimal observation time,
thermal dwell time)Момент времени тт, при котором обеспечивается
оптимальное значение информативного параметра
(максимальное значение отношения сигнал/шум)Раннее время обнаружения
(early detection time)Момент времени, при котором температурный сиг¬
нал Д71(т)начинает превышать уровень шума (как
правило, значительно меньше времени тт)
ТЕРМИНОЛОГИЯ ТК19Окончание табл. 1.1ТерминОпределениеПредставление результатов ТКТермограмма, ИК-термограмма
(thermogram)Изображение на экране монитора, а также в виде
твердой или электронной копии, отражающее рас¬
пределение интенсивности теплового излучения
(температуры) объектаХронологическая термограмма
(chronological thermogram)Изменение температуры в отдельной точке во вре¬
мениТепловая томограмма
(thermal tomogram)Изображение структуры ТФХ объекта в пределах
выделенного по глубине слояИзображение термоупругих
напряжений(thermoelastic stress analysis
image)Распределения термоупругих напряжений, постро¬
енные на основе анализа динамических термограмм
в процессе механического нагруженияМаксиграмма(maxigram)Изображение, в котором каждый пиксель содержит
максимальное наблюдавшееся значение информа¬
тивного параметра (температурного сигнала) неза¬
висимо от времени его появленияТаймограмма(timegram)Изображение, в котором каждый пиксель содержит
соответствующее значение характерного времени
теплопередачиФазограмма(phasegram)Изображение, в котором каждый пиксель содержит
соответствующее значение фазы (сдвига фаз) на оп¬
ределенной частотеМодулограмма(modulegram)Изображение, в котором каждый пиксель содержит
значение модуля Фурье-образа на определенной
частотеТаймограмма по сечению
(cross-sectional timegram)Изображение, которое отражает изменение сигнала
вдоль выбранной линии (строки) на поверхности
объекта во времениГлубинограмма(depthgram)Изображение, в котором каждый пиксель содержит
значение глубины залегания дефектаИзображение теплового
сопротивления (дефекта)
(thermal resistance image)Изображение, в котором каждый пиксель содержит
значение теплового сопротивления дефектаТ олщинограмма
(thicknessgram)Изображение, в котором каждый пиксель содержит
значение толщины (раскрытия) дефектаИзображение полиномиального
коэффициента(image of polynomial coefficient)При использовании полиномиальной аппроксимации
в каждом пикселе исходной последовательности
определяют набор полиномиальных коэффициентов
и строят соответствующие изображения
20Глава I* ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ1.2. МОДЕЛИ АКТИВНОГО ТКВ пассивном ТК схема испытаний
определяется, главным образом, возмож¬
ностью доступа к той поверхности объек¬
та контроля, на которой искомые дефекты
проявляются оптимальным образом.Модели активного ТК можно клас¬
сифицировать:1) по типу источника тепловой сти¬
муляции (рис. 1.1 к2) взаимному расположению уст¬
ройств тепловой стимуляции и регистра¬
ции температуры (рис. 1.2);3) форме и размерам зоны тепловой
стимуляции и регистрации температуры
(рис. 1.3).Тепловую стимуляцию (нагружение)
объекта контроля можно производить на¬
гревом или охлаждением, что с геплофи-
зической тчки зрения является равноцен¬
ным при одинаковой мощности теплового
потока. Однако, учитывая достижимые
плотности тепловых потоков, фактор тех¬
нологичности и возможные помехи, прак¬
тически всегда применяют нагрев с помо¬
щью полей излучения или потоков газа и
твердых частиц.Наибольшую мощность в зоне сти¬
муляции обеспечивает нагрев оптическим
излучением, генерируемым лампами раз¬
личного типа и лазерами (рис. 1,1, а\
Наиболее просто можно нагреть поверх¬
ность объекта контроля с помощью элек¬
трических ламп накаливания. Плотность
нагрева может составлять до нескольких
кВт/м2 в зоне диаметром до 1 м при про¬
извольной длительности натрева. Такие
лампы являются гибким и практичным
средством "мягкого11 нагрева неметаллов.
Дня стимуляции металлов применяют тало¬
генные и ксеноновые лампы, которые соз¬
дают плотность мощности до 100 кВт/м2 в
течение времени от нескольких миллисе¬
кунд до нескольких секунд.Лазеры способны обеспечить сверх¬
высокую плотность энергии, однако низ¬
кий КПД, большие габариты и высокаястоимость ограничивают их применение в
ТК лабораторными исследованиями.Лазеры также используют в технике
"летающею пятна" для быстрою локаль¬
ного нагрева изделий, однако в этом слу¬
чае снижается плотность поглощенной
энергии. Поэтому при контроле металлов
наиболее эффективны мощные ксеноно-
выс лампы-вспышки (flash tubes), исполь¬
зуемые в фотографической технике.Металлические изделия можно на¬
гревать индукторами. Плотность погло¬
щенной мощности при эюм ниже чем в
случае оптическою нагрева, однако ин¬
дукционный нагрев не создает помех за
счет отраженного излучения и позволяет
натревать металл через внешние слои из
неметаллов (рис. 1.1,6).В ряде случаев металлы нагревают,
пропуская через них электрический ток
(рис* 1 Л, в). Этот способ также не создает
оптической помехи и эффективен при об¬
наружении 1рещин. расположенных пер¬
пендикулярно направлению линий тока.
Применение такого вида нагрева создает
проблему ввода в изделие мощных токов.Нагрев СВЧ-излучением рекоменду¬
ется при обнаружении зон повышенной
влажности в пористых неметаллах
(рис. 1.1, г) в сочетании с тепловизионной
регистрацией температуры.Конвекционный нагрев можно про¬
изводить с помощью жидкости или газа
(рис. 1.1, дщ е). Известен способ контроля
внутренних каналов турбинных лопаток
пропусканием через них горячей (холод¬
ной) воды (рис. 1Л, <3). Односторонний
нагрев возможен потоком горячего возду¬
ха (рис. 1.1, е), направляемого на изделие
с помощью фена ("воздушной пушки").
Оригинальной разновидностью этого спо¬
соба является быстрое охлаждение по-
верхнбети объекта контроля парами жид¬
кого азота. Нагрев газом в односторонней
процедуре ТК во многих случаях не хуже
оптического нагрева благодаря более низ¬
кому уровню помехи, обусловленной от¬
раженным излучением.
МОДЕЛИ АКТИВНОГО ТК21Индукционный
нагревательООптическийнагревательа)IНеметаллМеталлб)Металл0Y Трещинат/.Влажная зонаГаз,
жидкостьисточникЛопатка турбины
д)Tt\/У/Т'Воздушнаяпушка"ТрещинаВибратор звуковой или
ультразвуковой частотыж)ЛазернагреваПробный лазерОТепловая
линзаЛазернагреваПозиционно¬
чувствительный
детекторПозиционно¬
чувствительный
детекторПробный лазери)К)Рис. 1.1. Процедуры ТК в зависимости от типа источника
тепловой стимуляции
22Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯа)б)*)Рис. 1.2. Процедуры ТК в зависимости от взаимного расположения
устройств тепловой стимуляции и регистрации температурыПреимуществом механического на¬
гружения изделий за счет вибраций (дози¬
рованной циклической нагрузки) или
ультразвука является отсутствие оптиче¬
ской помехи, а также то, что температур¬
ные аномалии возникают только в де¬
фектных областях за счет трения стенок
трещин, образования зон пластической
деформации и других механических эф¬
фектов (рис. 1.1, ж). Этот способ хорошо
зарекомендовал себя при испытаниях
композиционных изделий, возбуждаемых
стандартными пьезоэлектрическими виб¬
раторами.Способы тепловой стимуляции, изо¬
браженные на рис. 1.1, а-ж, требуют ис¬
пользования разнообразных технологиче¬
ских устройств. В ряде случаев, например,
при обнаружении скрытых в грунте про¬
тивопехотных мин, диагностике фасадных
покрытий строительных сооружений и
т.п., возможно использовать нагрев сол¬
нечным излучением, плотность мощности
которого в средних широтах составляет
около 1 кВт/м2 в безоблачный день
(рис. 1.1, з). Данный способ нагрева иден¬
тичен изображенному на рис. 1.1, а.В лабораторных исследованиях ино¬
гда используют специфические способы
тепловой стимуляции и регистрации тем¬
пературы. Высоким температурным раз¬
решением обладает техника 11миража”,
которая предусматривает нагрев и регист¬
рацию температуры с помощью лазера
(рис. 1.1, и). Над дефектом создается об¬
ласть повышенной температуры приле¬
гающего воздуха, при прохождении через
которую пробный луч лазера претерпевает
отклонения, пропорциональные темпера¬туре и регистрируемые позиционно¬
чувствительным фотодетектором. Другой
пример комбинирования техники НК по¬
казан на рис. 1.1, к: при нагреве лазером
слои материала, расположенные над де¬
фектом, испытывают аномальные дефор¬
мации, которые фиксируют с помощью
луча второго (пробного) лазера и позици-
онно-чувствительного фотодетектора.Взаимное расположение источника
тепловой стимуляции и устройства реги¬
страции температуры влияет на выявляе-
мость дефектов, что важно с точки зрения
практической реализации. Преимущества
активного НК наиболее полно проявляют¬
ся в односторонней процедуре (рис. 1.2,
а). Ее аналогом является ультразвуковой
эхо-метод НК, в англоязычной литературе
иногда используют термин ”контроль на
отражение” (reflection procedure). Дву¬
сторонняя процедура, иногда называемая
”контролем на прохождение” (transmission
procedure), требует прогрева всего изделия
и не может быть применена к толстым
образцам (рис. 1.2, б). В случае внутрен¬
него нагрева, например, электрическим
током через металл, устройство регистра¬
ции температуры целесообразно разме¬
щать там, где внутренние дефекты созда¬
ют максимальные температурные контра¬
сты (рис. 1.2, в).Третий тип моделей активного ТК,
(рис. 1.3) определяется сочетанием уст¬
ройств нагрева и регистрации температу¬
ры. При поточечном сканировании изде¬
лие нагревают в малой зоне, а температу¬
ру регистрируют с некоторым запаздыва¬
нием, величина которого зависит от глу¬
бины залегания дефектов (рис. 1.3, а). На
МОДЕЛИ АКТИВНОГО ТК23Точечный источникСтрочно-сканирующий
Линейный HCT04ifflK^^*v ИК-радиометр
нагреваСИК-радиометрИсточникравномерногонагревав)Рис. 13. Процедуры ТК в
зависимости от вида зоны
контроля и нагревараннем этапе развития активного ТК, в
силу малого распространения тепловизо¬
ров, этот способ разрабатывался доста¬
точно интенсивно. В последующие годы
он был незаслуженно забыт и затем снова
возрожден в виде техники "летающего
(ползущего) пятна".Поточечное сканирование обеспечи¬
вает максимальные температурные кон¬
трасты над внутренними дефектами при
внешнем нагреве и пригодно для обнару¬
жения трещин, расположенных перпенди¬
кулярно поверхности изделия. Основным
недостатком данного способа является
низкая производительность испытаний.Компромиссным вариантом между
поточечным сканированием и тепловизи-
онным способом ТК является строчное
сканирование: изделие нагревают в узкой
длинной полосе, а температуру регистри¬руют строчно-сканирующим пирометром
(рис. 1.3, б). Проблема равномерности на¬
грева решается проще, чем при распреде¬
ленном нагреве, а производительность ис¬
пытаний выше, чем при поточечном ска¬
нировании, приблизительно в N раз, где
N - число элементов в строке. В этом слу¬
чае зона нагрева перемещается по поверх¬
ности изделия, поэтому строчное ска¬
нирование пригодно для обнаружения вер¬
тикальных трещин. Тепловизионный спо¬
соб ТК предусматривает распределенный
нагрев изделия (от одной зоны к другой)
при регистрации температуры тепловизо¬
ром (рис. 1.3, в). В последние годы этот
способ наиболее популярен благодаря по¬
явлению на рынке нового поколения теп¬
ловизоров, внедрению мощных импульс¬
ных нагревателей и разработке эффектив¬
ных алгоритмов обработки тепловых изо¬
бражений.
24Глава!.ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ1.3. БАЗОВЫЕ ПРОЦЕДУРЫ ТКОгметим, что видимое разнообразие
процедур активного ТК в значительной
степени является субъективным, связан¬
ным скорее с терминологическими пред¬
почтениями отдельных исследовательских
групп, нежели с физикой контроля. Боль¬
шинство существующих процедур могут
быть классифицированы как разновидно¬
сти импульсного ТК (pulsed thermal NDT),
который предусматривает нафев изделия
импульсом тепловой энергии определен¬
ной длительности и регистрацию 1емпера-
туры на передней, задней или боковой
поверхностях изделия в течение действия
импульса (на стадии liaipena) или'после
его окончания (на стадии охлаждения).
При гаком определении активного ТК
большинство процедур, описанных в
табл. 1.1, связаны либо с физической реа¬
лизацией нагрева, либо с особенностями
обработки температурной информации,
причем специфика процедур ТК связана с
тем, как количественная или качественная
информация о скрытых дефекгах извлека¬
ется из базовой температурной функции
r(jc,vv,x), описывающей изменение избы¬
точной температуры изделия во времени
для каждой точки изделия (хчу). В про¬
цедурах тепловизионного 'ГК эта функция
определена для последовательности запи¬
санных термограмм (рис. 1.4, а) и привя¬
зана к элементам изображения (пикселям):
T(i, Дт),Типичный вид функций Г(/,/,т) по¬
казан на рис. 1.4, б для дефектной (д) и
бездефектной (бд) области. На передней
поверхности в ходе нагрева избыточная
температура изделия Т растет от нулевого
значения и достигав! максимума в конце
теплового импульса длительностью xh. На
задней поверхности максимум избыточ¬
ной температуры наблюдается со сдвигом
относительно конца нагрева. Величина
этого сдвига увеличивается с увеличением
толщины изделия и снижением его темпе¬
ратуропроводности. На стадии охлажде¬ния вследствие теплообмена с окружаю¬
щей средой температура спадает до нуля,
т.е. до температуры среды.Фундаментальным понятием ГК яв¬
ляется температурный сигнал (перепад)ч
определяемый как разность температур в
исследуемой точке и в зоне, принятой за
бездефекгную (эталонную): ЛТ(х,у, т) =•- Т(хчу,т)- Т6д(\щу,т) (в англоязычнойлитературе для обозначения Д7* часто ис¬
пользуют некорректный термин "темпера¬
турный контраст"). При гаком определе¬
нии, АТ > 0 на передней поверхности из¬
делия для дефектов, теплопроводность
которых ниже, чем теплопроводность ос¬
новного материала; на задней поверхности
гакие дефекта создают АТ ч 0 Соответст¬
венно, дефекты, более теплопроводные,
чем основной материал, создаю! темпера¬
турные сигналы обратною знака: Д7'< О
на передней поверхности и АТ > 0 на зад¬
ней поверхности. Отметим, что в ряде
случаев, вследствие различных гсплоем-
костей дефектной и бездефектной зон, на
стадии охлаждения возможна инверсия
знака А Г, однако амплитуда соотвекп-
вуюшпх сигналов, как правило, мала для
их уверенной регистрацииВ процессе динамического нагре¬
ва/охлаждения температурный сигнал от
внутреннего дефекта достигает макси¬
мального значения АТ„ в момент времени
тт. Используя функции Т(х,у,х) и
А7(х,у,с), ниже идентифицированы не-коюрые популярные процедуры активно¬
го ТК (см. гакже табл. 1.1). В деталях эти
процедуры будут онисаны в главе 5.Наибольшая статистическая досто¬
верность НК обеспечивается при макси¬
мально возможном отношении сиг¬
нал/шум. В динамических испытаниях это
достигается в оптимальный момент на¬
блюдения (optimal observation time). В
первом приближении будем считать, чю
xm(ATm) и есть оптимальный момен! на¬
блюдения, хотя далее будет показано, что
максимум отношения сигнал/шум не всегда
БАЗОВЫЕ ПРОЦЕДУРЫ ГК25Рис. 1.4. Базовые температурные функции активного теплового контроля:
а формирование последовательности термограмм и функции 7Ц/, /, т);
б - импульс нагрева и формирование температурного сигнала АТсоответствует максимальному сигналу АТт.Из вышеприведенною следует, что
вместо записи последовательности термо¬
грамм можно фиксировать одну термо
грамму в момент тда, к чему и сводятся
большинство процедур активного ТК, На¬
грев можно осуществлять коротким им¬
пульсом с регистрацией температуры в
процессе охлаждения изделия, что полу¬
чило название собственно "импульсного
ТК9 (pulsed thermal NDT). При достаточно
длинном нагреве оптимальный момент
регистрации может наступить в ходе на¬
грева, что используется в методе ИК-
радиометрии с временным разрешением
(Temperature-Resolved Infrared Radiometry,
TRIR).На первый взгляд парадоксально вы»
глядит метод раннего обнаружения сигна¬
ла (early detection), согласно которому
температурный сигнал регистрирую i на
ранних стадиях теплового процесса, т.е.
при х<гт. Очевидно, что при этом отно¬
шение сигнал/шум невелико и возможно
обнаружение только огносигельно боль¬ших дефектов Тем не менее, преимущест¬
вом метода раннего обнаружения являегся
низкий уровень диффузии тепла в попе¬
речных направлениях, в результате чего
обеспечивают высокое качество воспроиз¬
ведения границ скрытых дефектов.Иногда используют усреднение N
термограмм в течение времени, центриро¬
ванного относительно тт, в результатчего случайные шумы снижаются н
раз (averaging technique). В последние го¬
ды обработку сигналов в амплитудной
области (amplitude domain) замещают или
дополняют обработкой во временнбй (фа¬
зовой) области (time domain, phase
domain), что повышает* отношение сиг¬
нал/шум. Разновидностями такого подхо¬
да являются метод динамической тепло-
вой томографии (dynamic thermal tomo¬
graphy), основанный на использовании
пары параметров АТт и xw, а также методы
импульсной фазовой термографии (pulse
phase thermography) с применением пре¬
образования Фурье или вейвле г-функций
(wavelet functions).
Глава 2ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В БЕЗДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХ И
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
МАТЕРИАЛОВ2.1. МЕХАНИЗМЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИТепловая энергия передается в средах
при наличии температурных градиентов
тремя способами (рис. 2.1):теплопроводностью (преимущест¬
венно, в твердых телах);конвекцией (в жидких и газообразных
средах);излучением (в газообразных средах и
вакууме).Плотность теплового потока Qcd в
твердом теле между точками с различной
температурой 7j и Т2 подчиняется закону
Фурье:в интегральном выражении
Qcj =-Х,(Г2-Ту)/ Ах;в дифференциальном выраженииQcd=-X(dT/dx). (2.1)Следовательно, коэффициент тепло-
проводности X, выраженный в Вт/(м*К),
определяет плотность теплового потока в
твердом теле при градиенте температуры,
равном единице, и характеризует режим
стационарного теплообмена, поскольку в
размерности величины отсутствует время.Конвекция означает перемешивание
теплых и холодных слоев газа или жидко¬
сти. Охлаждение (или нагрев) поверхно¬
сти тела газом или жидкостью описывает¬
ся законом Ньютона:Qcv = acv ^amh )» (2.2)где a£V - коэффициент конвективной те¬
плоотдачи, называемый в общем случае
коэффициентом теплообмена; Тъ и Tamb -
соответственно температуры поверхности
тела и среды (жидкой или газообразной).На рис. 2.1 эти температуры обозна¬
чены через Г„ и Тс. Определение не
является столь строгим как в случае X,
так как этот параметр описывает не столь¬
ко материал, сколько взаимодействие двух
разнородных сред (геометрию). Отсутст¬
вие такого взаимодействия (а^ - 0) озна¬
чает адиабатические граничные условия.
В ТК адиабатические условия возникают
при испытаниях металлов и тонких неме¬
таллов, в особенности, при малом времени
контроля.Излучение есть поток квантов элек¬
тромагнитного излучения, которое испус¬
кается всеми физическими телами с тем¬
пературой выше абсолютного нуля (0 К).Теплопроводность(§)КонвекцияТ„>ТсaИзлучениеЗакон Фурье Закон Ньютона Закон Стефана-БольцманаРис. 2.1. Механизмы теплопередачи
МЕХАНИЗМЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ27В интегральном выражении плот¬
ность радиационного излучения описыва¬
ется законом Стефана-Больцмана, кото¬
рый для теплообмена между двумя телами
с температурами Т\ и Т2 (Т\ > Т2) имеет
следующий вид:е^=<^л(т’,4-г24), (2.3)где Qrd - плотность результирующего теп¬
лового потока; ст - постоянная Стефана-
Больцмана (ст ■ 5,67 * 10'8 Вт^м-К4); Fg -
геометрический фактор; FL - приведенный
коэффициент излучения.Теплообмен между теплым объектом
Т% и холодной окружающей средой Тать
происходит путем конвекции и излучения:Q = Qcv + Qrd = acviTi ~Tamb)++ ac(e7’,4 -EambTamb)- (2.4)В ТК разница температур Ts - Tamb
обычно мала, а объекты имеют высокий
коэффициент излучения (с = 1). ПоэтомуoG(bTs4 -sombT*mb) * 4aG(^t^)3 х
4Ts-Tamb) = ard{T,-Tamb),(2.5)где arj - коэффициент теплообмена, обу¬
словленный излучением.Для вертикально ориентированных
поверхностей в помещении коэффициент
Осу, можно определить по формулеafV=l,7(ri-rem4),/3. (2.6)На открытом воздухе, например, при
обследовании зданий, дымовых труб и
подобных объектов, конвективный тепло¬
обмен зависит от скорости ветра V (высо¬
ты на уровнем земли Я). Для теплотехни¬
ческого расчета дымовых труб рекомен¬
дуют эмпирическую формулуCLcv= 6,3(КУ)0Ь6. (2.7)Значения коэффициента К в зависи¬
мости от высоты Я даны ниже:Н. м2550100150200>350К1,21,62,12,32,63,1Формулы (2.2) и (2.4) становятся
идентичными, если ввести комбинирован¬
ный коэффициент теплообмена с
окружающей средой:a = a„+ard.Значение а зависит от формы объек¬
та и его ориентации в пространстве, а
также от разницы температур Тч - Tamb-
Рекомендуемые значения а для помеще¬
ний даны в табл. 2.1.Неадиабатический теплообмен
включает все три механизма, описанные
выше. Наиболее трудно поддается оценке
конвективная компонента теплообмена со
средой, поэтому решение обратных задач
тепловизионной диагностики затрудни¬
тельно при интерпретации данных, полу¬ченных съемкой в трудноконтролируемых
условиях внешней среды. В активных
процедурах ТК мощность потока нагрева
может значительно превышать мощность
встречного потока теплоотдачи за счет
конвекции и излучения. В этом случае
теплообмен становится адиабатическим, и
соответствующие решения теории тепло¬
проводности имеют наиболее простой вид.Многие типичные дефекты, являю¬
щиеся объектами ТК, могут рассматри¬
ваться как тонкие газовые промежутки.
Тепловой поток в таких дефектах, возни¬
кающий за счет чистой теплопроводности
из-за различных температур на поверхно¬
стях дефектов Т\ и Г2, описывается (2.1). В
теории теплообмена известно, что конвек¬
цией можно пренебречь, если произведе¬
28Глава 2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В БЕЗДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХ2.1. Рекомендуемые значения комбинированного коэффициента теплообмена
(8 = 0,9; Тать = 20 °С; определен по формуле (2.6); аг</- по (2.5))т,-таяЬ,°сdevardаВт/(м2-К)11,75Л6,952.95,38,2103,75,49.1204,65,7103305,36,0п,з405,86,312,1506,36,612,9606,76,913,6707,07,3143807,3'7,614,9907,68,015,61007,98,416,3ние критериев Грасгофа и Прандтля удов¬
летворяет условиюGrPr< 1000. (2.8)Проверка условия (2.8) для разницы
теператур 7\ — 7% < 100 °С приводит к сле¬
дующему условию для максимальной
толщины дефекта d:d < 6 мм, (2.9)которое обычно выполняется при ТК кон¬
струкционных материалов.Радиационный поток в тонких дефек¬
тах приближенно описывается выражени¬
емQrj~4aT\T,-T2), (2.10)где2Отношение тепловых потоков, обу¬
словленных теплопроводностью и излуче¬
нием,гг* <2Л1)Qrd 4doT3Для воздушных дефектов:X » 0,07 Вт/(м - К); Т =330 К (57 °С);
QcJQrd > 17 для d< 0,5 мм. Таким обра¬зом, можно считать, что теплопередача в
тонких газовых дефектах осуществляется
чистой теплопроводностью.В первом приближении (при малых
разностях температуры АТ между двумя
средами, обменивающимися тепловой
энергией) для всех трех механизмов теп¬
лопередачи плотность тепловою потока
пропорциональна разности температур
(Q-AT).2.2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ
УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ2.2.1. Параболическое уравнение
теплопроводности в декартовых коор¬
динатах. Нестационарное распределение
температуры в анизотропном твердом теле
с внутренними источниками тепла описы¬
вается дифференциальным уравнением
параболического типа:й7\^3л дГ* дп дТ\,
&( * &) ду{‘у dy)+dz(1 dz)+ (2Л2)
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ 29где Mx9\\z) - удельная мощность внут¬
ренних ис1 очников тепла, Вт/м3; С и р -
соответственно теплоемкое ib, Дж/(кг • К),
и плотность, кг/м3 материала.Уравнение (2.12) отражает принцип
сохранения энергии в среде, где тепло гене¬
рируется и распространяется диффузией.Анизотропный характер диффузии
тепла в уравнении (2.12) выражен коэф¬
фициентами теплопроводности Xx.Xy9Xz*В случае изотропного материала32Г д2Т д2ТW1 дтдх2 ду2 &2 У- адт(2.13)дх2 ду2 dzf--0.д2Т~ ■*—г-н—Г- = 0 ,
дх2 dv2 dz2мольные моменты наблюдения. Поп ому,
для обнаружения скрытых дефектов в
большинстве случаев используют проце¬
дуры активно] о (нестационарного, дина¬
мического) ТК, Соответственно, в теории
ТК чаще всего анализируют уравнения
типа (2.12-2.14).2.2.2. Параболическое уравнение
теплопроводности в цилиндрических и
сферических координатах. Уравнение
(2.14) приведено в декартовой системе
координат. Общей формой записи уравне¬
ния (2.14) являетсягде а-ХНСр) - коэффициент температу¬
ропроводности, м2/с.В большинстве задач активного ТК
внутренние источники тепла отсутствуют
(w = 0), что приводит к общеизвестной
форме уравнения (2.13):д2Т д2Т д2Т 1 дТ
—т +—5-+—т=——. (2 14)
дх ду dz а дтВ стационарном режиме при наличии
внуфенних источников теплад2Т д2Т д2ТВ(Лф,г)v»r-i£.а дхцилиндрических(2.17)координатах_2_ д2Т 1 дТ 1 дгТ д2Т
V2T = —r+-—i--r—т-ч —т.
дг г дг гг 9ф dz~(2.18)В сферических координатах ( г,0,ср)V2TJ2T . 2дТ . 1 д г/1 ..2дг2+IT + irM1 г дг г дцI3 7(2.15)дТ.-T-J+дц(2.19)Стационарный режим без внутренних
источников тепла описывается уравнени¬
ем Лапласад2Тду2'*(2.16)На поверхности адиабатическою (аб¬
солютно теплоизолированного) тела в
стационарном режиме сигналы от скры-
1ых дефектов полностью нивелируются
из-за выравниваиия температуры по объе¬
му тела. На практике эти сигналы сохра¬
няются благодаря теплообмену тела с ок¬
ружающей средой, но их амплитуда может
быть в десятки раз меньше максимальной
амплитуды соо гветствующих нестацио¬
нарных сигналов, возникающих в опти-/•2(1-ц2)дф2’
где it - cos 0.2.23. Гиперболическое уравнение
теплопроводности в декартовых коор¬
динатах. Закон Фурье (2.1) исключает
причинно-следственную связь между гра¬
диентом температуры и обусловленным
им (епловым потоком. Иными словами,
все уравнения п. 2.2.2. описывающие пе¬
редачу энергии теплопроводностью, под¬
разумевают бесконечную скорость рас¬
пространения тепла. Физически теплопро¬
водность есть феномен переноса, связан¬
ный с обменом энергией между частицами
1ела (в неметаллах тепловая энергия пере¬
дается через колебания кристаллической
решетки, в металлах энергию переносят
свободные электроны). Для передачи
30 Глава 2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В БЕЗДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХэнергии и движения частиц необходимо
определенное время. Для описания конеч¬
ной скорости распространения тепла вво¬
дят понятие времени релаксации теплово¬
го потока тг, с учетом которого параболи¬
ческое уравнение (2.17) заменяют гипер¬
болическим:V2r = -—(2.20)
а дт а дтСкорость распространения теплового
потокаVt =^/(Сртг). (2/21)Время релаксации весьма мало; для
металлов тг ~ 10'11 с, поэтому, например, в
алюминии Vt « 3 км/с. Область примене¬
ния гиперболического уравнения (2.20)
определяется толщиной материала [17]:(2.22)Для металлов Lmm ~ Ю м, для неме¬
таллов Lm\n~ МУ4 ... 10'3 м.Дифференциальное уравнение (2.20)
представляет главным образом академиче¬
ский интерес при исследовании процессов
фононной теплопроводности в чистых
кристаллах при сверхнизких температу¬
рах, а также процессов взрывного харак¬
тера. Расширяющееся применение сверх¬
тонких пленок и стремительное улучше¬
ние быстродействия современных ИК-
камер (разработаны тепловизоры с часто¬
той кадров до нескольких кГц) могут пе¬
ревести интерес к сверхбыстрым тепло¬
вым процессам в практическую плоскость.2.3. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ (ТФХ)
МАТЕРИАЛОВОсновными ТФХ материалов явля¬
ются коэффициент теплопроводности X,
теплоемкость С и плотность р (табл. 2.2).
Коэффициент теплопроводности опреде¬
ляет величину теплового потока, распро¬
страняющегося в теле при стационарном
теплообмене.2.2. Теплофизические характеристики материалов
(в порядке возрастания коэффициента теплопроводности) *Материалкг/м3с,Дж/(кг • К)Я.,Вт/(м • К)а,10"6м2/сef
Вт • с1й
(м2* К)Воздух (в тонких про¬
слойках)1,210050,0758,09,19Плиты минералватные
на синтетической связке2007540,46-Плиты минералватные
на битумной связке4007540,120,39ттРезина (мягкая)110020100,1300,0588536Полиизопрен91319050,1340,0770483Поливинилхлорид--0,1400,11422Полиарамид133010470,142(1)1,69(||)0,102(1)**0,121(||)445 (1)
485(||)Сосна (параллельно во¬
локон)55025120,1740,126490
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (ТФХ) МАТЕРИАЛОВ 31Продолжение табл. 2.2Материал**«&>с,Дж/(кг- К)а.,Вт/(м • К)а,IO^mVcе,Вт • с1я(м^К)Эпоксидная смола--0,2000,09667Стеклопластик—-*0,3(1)0,38(||)0,13 (1)
0,17(||)832(1)922(||)Штукатурка110010050,2330,211507Вода100041930,5860,1401570Тринитротолуол--0,230,0925-Песок речной сухой15208000,340,28643Капролон-В--0,370,21Углепластик——0,64(1)1,28(||)0,52(1)1,04(||)888(1)1260(||)Кирпич (красный)17008790,7550,5051060Стекло24428370,8790,4301340Песок речной влажный165020901,130,3281974Бетон24008371,510,7521740Почва--2,60,5-Никелевый сплав83004409,52,605890Сталь (марки AISI316)824046813,43,477190Нитрид кремния*240069116,09,655150Титан450052221,99,327170Цирконий657027822,712,46440Окись алюминия397076546,015,2И 800Бронза880042052,014,113 900Сталь (марки AISI1010)783043463,918,814 700Графит230067011675,313 400Кремний233071214889,215 700Вольфрам1930013217468,321 100Дюралюминий 2024-Т6277087517773,020700Золото1945013431312028600Медь900040636510036500Карбид кремния3160675490230,032 300Алмаз351650266037434 100* Ориентировочные значения зависят от изготовителя и технологического процесса.
** (±) - перпендикулярно волокон; (||) - параллельно волокон.Обозначения: р - плотность; С - теплоемкость; X - теплопроводность; а - температуро¬
проводность; е - тепловая инерция.
32 Глава 2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В БЕЗДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХДинамическими ТФХ являются ко¬
эффициент температуропроводности (ther¬
mal diffusivity) а = А,/Ср и коэффициент
тепловой активности, или тепловая
инерция (thermal effusivity) е = JkСр .Коэффициент температуропроводно¬
сти является показателем диффузии внут¬
ренней энергии в материале; его величина
пропорциональна скорости распростране¬
ния изотермической поверхности. Более
теплопроводные материалы характеризу¬
ются ббльшими значениями а. Тепловая
инерция характеризует тепловое согласо¬
вание двух сред (1 и 2) и определяет, на¬
пример, коэффициент отражения теп¬
ловой волны Г:Г=^1. (2.23)ei+ejГ - 0 означает отсутствие теплового
контакта, Г - 1, когда второй материал
является абсолютным проводником тепла,
Г - -1, если второй материал является аб¬
солютным теплоизолятором.Динамическая характеристика тепло¬
проводности в твердом теле - длина теп¬
ловой диффузии ц выражается в метрах:ц = д/я/л;/ , (2.24)связана с частотой гармонического потока
нагрева/(Гц). Этот параметр подтвержда¬
ет тот факт, что низкочастотные волны
проникают в твердое тело до больших
глубин (т.е. тепловая волна фиксирован¬
ной частоты проникает глубже в материал
большей температуропроводности). В ТК
длина тепловой диффузии является оцен¬
кой глубины обнаружения дефектов в од¬
носторонней процедуре при стимуляции
объекта тепловыми волнами различной
частоты.2.4. КЛАССИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ
ТЕОРИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИВ фундаментальных монографиях
X. Карслоу и Д. Эгера [4], а также
А.В. Лыкова [5] можно найти большоечисло аналитических решений одномер¬
ных задач нагрева (охлаждения) тел, кото¬
рые могут быть использованы при расче¬
тах температуры в бездефектных облас¬
тях. Такие решения, широко используе¬
мые на практике, систематизированы в
табл. 2.3 и 2.4 соответственно для поверх¬
ности полуограниченною тела и пласти¬
ны. Решения приведены в видеГ = (2.25)где Т - избыточная температура поверхно¬
сти; Q (или W‘) - комплекс, характери¬
зующий эффективность нагревах 0 -
комплекс, описывающий нормализован¬
ную избыточную температуру поверхно¬
сти.В дальнейшем 0 будет использовать¬
ся с соответствующими индексами, на¬
пример, б£Р означает нормализованнуютемпературу на обратной поверхности
(rear - R) пластины, нагреваемой квадрат¬
ным импульсом (square pulse -SP).Приближенные расчеты нагрева тел
цилиндрической и сферической формы во
многих случаях Moiyr быть выполнены в
плоской геометрии, с использованием ре¬
шений в табл. 2.3 и 2.4. Анализ классиче¬
ских решений с точки зрения их примени¬
мости в ТК описан в и. 2.7, Три классиче¬
ских решения задач нагрева тел гармони¬
ческими тепловыми волнами приведены в
табл. 2.5.В табл. 2.6 содержатся решения
грехмерных задач нагрева полубесконеч-
ного тела точечным и гауссовским дви¬
жущимся источником тепла. В классиче¬
ской теории теплопроводности решения
такого рода разработаны для моделирова¬
ния процесса сварки материалов. В ТК
время от времени возобновляется интерес
к обнаружению скрытых дефектов скани¬
рованием поверхности изделий локализо¬
ванными источниками тепла (см. также
технику летающего пятна и технику пол¬
зущего пятна в табл. 1.1), поскольку наи¬
лучшая чувствительность ТК достигается
при нагреве изделий тепловыми потоками,
которые описываются функцией Дирака в
КЛАССИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ3323. Классические решения теории теплопроводности
для поверхности полуограниченного тела, нагреваемого тепловым потоком4Объект - полубесконечное телоФункциянагреваТип теплоотдачи
на поверхностиРешение для нагреваемой поверхностиL0сiiо*г Г \,/2QIX UJа'*0—^—- = \-eHtnerfc(H-Jaz)\ Н = а/Х
Q/а0КОИТ _/oxV'2Q/X V. я J T я-j— = ен2°^‘ '*Ц/е|я>Нт - тА)]— eH2<nerfc (ял/ах)
ii * ®«к1ОIIЧч!_; e-JePkW eV7lTaF*0^ e2 f V 'J♦Решение для прямоугольного импульса дано для т £ т*.2.4. Классические решения теории теплопроводности
для поверхности пластины, нагреваемой тепловым потокома «ОФункциянагреваТип теплоотдачи
на поверхностиПередняя нагреваемая
поверхностьЗадняя нагреваемая
поверхностьа -О
а* = 0iL-Fe+i-4Q' 3
- ®st{Fo)>Г 1 2 v-1"Л' _ А 2 / . 2Q 6 Я пxe-"I,!f0 -®st{Fo)Q'=-QLIX', Fo = cn/L22-607
34Глава 2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В БЕЗДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХПродолжение табл. 2.4ФункциянагреваТип тепло¬
отдачи на по¬
верхностиПередняя нагреваемая поверхностьЗадняя нагреваемая
поверхностьQ**</*оа* = 0Т -1 V 2Ш -
Q' ^Bi{Bi + l)+ii2a= ^st{Bi,Fo)\Q-Q!a; Bi = aL/X|i„ - положительные корни
трансцендентного уравнения:\i„ tg \i„ = BiT _ i V 2 Я/ ^ _
0' cos\i„Bi(Bt + \)= Qgj-(Bi,Fo)",н иО о6 n ttn v ;
(У = QL/X; Foh=enh/L2Т „ 2 ^-1=FO/,+-r2,--rxЯ Я=1 «Хе-Л»л^ААч*(/*0
а* = 0Г_у 25/6' t-5/(5/+l)+^ xxe^Je^* -l)Q' = Q/ aТ _у 1
СУ ^совцяХ
25/X5/(5/+l)+nf
xe-Kf0^f0* -l);Q' = Q/aWiaF=0
ая = 0-1 + 2Y e"VFo ; W' =—
fT XLЛ* 1/1*1а'*0
ай = 0T\_YHi a1*/+1)+h5W'-WlXLГ у 1 2rf j£
И" tTcosH, 5i(B/ + 1)+^
xe^♦Решение для прямоугольного импульса дано для т £ тА.
КЛАССИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ352.5. Классические решения теории теплопроводности
для тепловых волнФункция нагрева Q = Qm cos (сох)тОбъектОбщее решениеПередняя нагреваемая
поверхностьaF = 0T(z, т)аГ(£=0л)_ 1<cos[cot-(zV<o/2a)-©] © = 45‘;K-Jw/aos[<Dt-©JД. e'zVa)/2a ,af *0x cos|o)T - (z*Jti)/2a)- £)];Д, = (l + 2л1(я/2а/Н + ta/all2) '/2;
Q = arctg(l +#л/2а/со)Л H = a/\.t(z = 0,x)QJol= A0 cos[cot - (zV<o/2a)- oj;4,=(l + 2Vc»72o/// ++ a> laH2Y'2\Q = arctg(l + H-j2a/(o[l;
H = a/X.= Л0 cos(PdFo - У); Z ==//,;°’= Л0 cos (/Wo - У);-1/2.= arctga *0aF*0a*-0N,+N_JУ - arctg
N,=(tHiZlLulI *,+*,)ch'JiPdNt =chJiPd (l-Z)ch-JiPd +{\/Bi)-JiPd sh-JiPdchJ-iPd (l-Z)chJ-iPd + ([/Bi)'J-iPd shJ-iPd '
Bi = <xL/X', Pd = <nl}laN_ =chJiPd + (l/ Bi)* 4iPd shJiPd'
ch4~iPdch'J-iPd + (l/Bi)V- iPd shj—iPd'Bi = aLI\; Pd = (nl?la
36Глава 2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В БЕЗДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХ2.6. Классические решения задач нагрева полубесконечного тела
движущимся источником теплаОбъектОбщее решениеРешение для линии, пере¬
секающей источник теплаУхУхНолубесконечное тело.
Точечный источник теплаГ = £-Д=—хX ял/я Rг-£_1_«41хX njn х2X \еR
Zjat_ 5 1R = x +y~+z~\-цQb ВтПолубесконечное тело.
Гауссовский источник тепла*Т(х ,y,z, Fo)=А. Пу/П А(х-vFo'Y f у2 +z
/?ехр \+4(Fo—Fo') jХ J л/Fo - Fo' fl+A(Fo - Fo')]■dFo';Fo„ ax ~ V R.
Fo=—r\ v=—;Л* eГ = xtR\ y=ylR\ z =z/R;распределение энергии
в пучке:IxeT“H:Q в Вт\jFo-Fo'[I +4(Fo -fo')]
xdFo'*См. решение в статье Bison P.G., Bragiotti A., Bressan C., Grinzato E., Marinetti S., Mazzoldi A.,
Vavilov V, Crawling spot thermal NDT for plaster inspection and comparison with dynamic thermogra¬
phy with extended heating. -Proc. SPIE "Thermosense-XVH", V. 2473,1995. P. 53*63.
ИНФОРМАТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТК37пространстве и во времени. Метод дви¬
жущегося пятна наиболее пригоден для
обнаружения дефектов (трещин), распо¬
ложенных перпендикулярно основным
поверхностям изделия.В монографии французских исследо¬
вателей (Д. Мелье с соавторами [18])
обобщен метод "термического четырехпо¬
люсника" применительно к решениям од¬
но- и двухмерных задач нагрева одно- и
двухслойных тел. Книга снабжена боль¬
шим количеством примеров, непосредст¬
венно относящихся к проблематике ТК, и
содержит программы расчета температур¬
ных полей, созданные для среды MatLab.С математической точки зрения ме¬
тод "термического четырехполюсника"
принадлежит к классу аналитических ме¬
тодов решения линейных дифференциаль¬
ных уравнений в простых геометриях. Он
использует такие аналитические инстру¬
менты как интегральное преобразование
Лапласа (во времени) и пространственные
интегральные преобразования Фурье и
Ханкеля, связанные с методом разделения
переменных. Уравнения теплопроводно¬
сти выражают в виде линейных матрич¬
ных связей между трансформированными
векторами температуры и тепловых пото¬
ков на границах многослойной системы.
Это позволяет получать решения, общий
вид которых не зависит от граничных ус¬
ловий.Решение дифференциальных уравне¬
ний с помощью интегральных преобразо¬
ваний известно давно [5]. В настоящее
время этот метод дополнен современными
математическими приемами, реализую¬
щими, например, обратные преобразова¬
ния Лапласа и Фурье с помощью специ¬
альных компьютерных алгоритмов. Это
дало рождение гибриду аналитических и
численных методов.Метод "термического четырехполюс¬
ника" позволяет получать решения задач
нагрева многослойных тел в области Лап¬
ласа в алгебраической форме. Поэтому
анализ искомых зависимостей, например,
между параметрами дефекта и "лапласов-ской температурой" можно выполнять в
пространстве Лапласа, а в случае необхо¬
димости возвращаться к реальным темпе¬
ратурам, используя численные приемы.Для решения многослойных задач ТК
данный метод представляет особый инте¬
рес.2.5. ИНФОРМАТИВНЫЕ
ПАРАМЕТРЫ ТКПод информативными параметрами
ТК будем понимать количественные ха¬
рактеристики динамической теплопере¬
дачи в дефектных структурах, которые
используются для принятия решения о
качестве изделий. При анализе поверхно¬
стной температурной функции Г(дс,у,т)различают амплитудные и временные ин¬
формативные характеристики. При ис¬
пользовании одномерного преобразования
Фурье F\T(x4y%т)] по времени информа¬
тивными параметрами служат мощност-
ные и фазовые характеристики, которые
являются функцией частоты.Соответствующие информативные
параметры имеют место при других пре¬
образованиях сит нала, например, при ис¬
пользовании вейвлет-функций (wavelet
functions). Определение информативных
параметров ТК дано в табл. 1.1. Парамет¬
ры, которые непосредственно генериру¬
ются либо аппаратурой ТК, либо соответ¬
ствующими компьютерными программа¬
ми обработки данных называют парамет¬
рами обнаружения скрытых дефектов.
Оптимальные параметры обнаружения
соответствуют максимальному отноше¬
нию сигнал/шум.2.5.1. Амплитудные и временные
информативные параметры. Динами¬
ческое температурное поле поверхности
объекта контроля описывается функцией
Т(х,у,х). В первом приближении можносчитать, что в бездефектных зонах в лю¬
бой момент времени температура является
величиной постоянной или изменяющейся
известным образом. При этом вводят не¬
38 Глава 2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В БЕЗДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХа) б)Рис. 2.2. Пространственный и временной профили АТ(х,у9 т) при импульсном ТКкоторое эталонное значение температуры,
принятое за бездефектное значение^'nd {рпЛ’Уги! » *0 = Тнd W •В активном ТК, как правило, ис¬
пользуют избыточные значения темпера¬
туры, то есть превышения температуры
над начальной температурой, которая во
многих случаях равна температуре окру¬
жающей среды Гашь- В зоне дефекта регу¬
лярный характер температурного поля
нарушается, и возникают локальные тем¬
пературные сигналы (перепады):АТ(х,у,х) = Т{,(х,у,х)-Т^(х^.у^х).(2.26)При одностороннем ТК форма про¬
странственного профиля сигнала над ма¬
лыми слаботеплопроводными дефектами
близка к гауссоиде (рис. 2.2, а). При этом
под температурным сигналом обычно пони¬
мают максимальное значение АТт(х,у, т) -
=АТт(х).Параметры, выражаемые в единицах
температуры, т.е. избыточные температу-
Р“ Tnd (xnd, y„d ,x),Td (x, у, т) и сигнал
ДГ(х,<у,т), прямо пропорциональны по¬
глощенной плотности мощности нагрева
Q в силу линейного характера процессатеплопередачи. В качестве безразмерного
информативного параметра, не зависящего
от Q, вводят текущий температурный
контраст (running temperature contrast):C^W,!) = ДГ(х,Лт)/Г*(т),(2.27)который является естественной характе¬
ристикой конкретной процедуры обнару¬
жения данного типа дефекта в данном ма¬
териале.Нормирование на поглощенную
энергию в виде (2.27) эффективно, если
величина Q постоянна во всех точках. На
практике имеют место существенные
флуктуации поглощенной энергии и в без¬
дефектных зонах, прежде всего, вследст¬
вие флуктуаций коэффициента поглоще¬
ния. В этом случае эффективна фильтра¬
ция температурных данных с помощью
так называемого нормализованного тем¬
пературного контраста (normalized tem¬
perature contrast), для введения которого
рассмотрим временные профили темпера¬
туры Г(т) и сигнала АТ(х%у,х) на
рис. 2.2, б.В течение времени нагрева тл темпе¬
ратура возрастает от начального (условно¬
нулевого) уровня до максимального зна¬
чения Тт(тА), после чего спадает. Раз¬
ИНФОРМАТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТК39ность температур между дефектной и без¬
дефектной областями достигает макси¬
мального значения ЛТт в момент времени
хт . Поскольку в бездефектных точкахтемпература определяется поглощенной
энергией, которая обычно пропорцио¬
нальна падающей энергии, то все безде¬
фектные кривые T(xhynx) подобны друг
другу и в первом приближении отличают¬
ся постоянным сомножителем.В дефектной области вследствие при¬
сутствия дефекта на некоторой глубине
вид температурной функции изменяется,
что позволяет ввести в рассмотрение сиг¬
нал АТ(хпу,). Нормализованный темпе¬
ратурный контраст вводят в следующем
виде:£1 norm =Т(хпупх) T(xnj4yncj9T)Тт(хпс1, Vncj,Xh)(2.28)Таким образом, каждая точка кон¬
тролируемой поверхности нормируется
сама на себя, что обеспечивает достаточно
эффективное подавление неоднородно¬
стей нагрева. Формирование нормализо¬
ванного температурного контраста являет¬
ся необходимым шагом многих процедур
обработки температурной информации в
активном ТК. Нормализацию можно про¬
изводить не только по значениям темпера¬
туры в момент но и в другие моментывремени, из которых представляют инте¬
рес как начало, так и конец динамического
процесса теплопередачи.Основным недостатком использова¬
ния информативных параметров (2.26 ...
2.28) является необходимость выбора без¬
дефектной точки (х,и/,у/иД что относи¬
тельно легко делает оператор, но затруд¬
нительно в автоматических устройствах
контроля. На основе факта, что внутрен¬
ние дефекты начинают влиять на поверх¬
ностную температуру с некоторого мо¬
мента времени, до которого соответст¬
вующий участок изделия ведет себя как
бездефектный, К. Малдаг и другие пред¬ложили дифференцированный темпера¬
турный контраст (differentiated contrast):(Лп)Cdi'(x,y,xw) = Т(х,у,Т(х,у,х{п)),(2.29)где т(я) - момент времени, соответст-
вующий бездефектному поведению анали¬
зируемой точки (величина СА* имеет раз¬
мерность температуры, поэтому использо¬
вание термина "контраст" не является
корректным). Выражение (2.29) получено
из решения задачи нагрева адиабатическо¬
го полубесконечного тела импульсом Ди¬
рака и означает нормализацию каждой
точки самой на себя.Определение контрастов в виде
(2.27 ... 2.29) можно рассматривать как
одномерную фильтрацию сигнала, по¬
скольку они не учитывают эффекты диф¬
фузии тепла, в особенности, в поперечном
направлении. В теплопроводных материа¬
лах эффекты трехмерной диффузии могут
существенно изменять пространственные
профили температуры и затруднять выде¬
ление слабых сигналов от малых дефек¬
тов.Для учета пространственной диффу¬
зии теггла автором был предложен алго¬
ритм трехмерной фильтрации (3D
Altering), сущность которого в том, что
экспериментальную температурную функ¬
цию Гехр нормализуют на эталонную тем¬
пературную функцию Т^Г, которую
получают из решения соответствующей
трехмерной задачи ТК:C3D Ttxp(x.y,x)"Г^(х.у,т)“Т%р(х,у,т) + АТ(х,у,%)i2T(w> ’ ( )При идентичности эксперименталь¬
ной и теоретической температурной
функций в бездефектных зонах величина
соответствующего трехмерного контраста
40 Глава 2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В БЕЗДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХСю= 1+ АТ(Х'У'Х)T’jTiW)(2.31)отличается от единицы (или другого по¬
стоянного значения) только в дефектных
участках.Введение временных информативных
критериев связано с тем фактом, что, при
прочих равных условиях, во временнбй
области можно обеспечить более высокое
значение отношения сигнал/шум, чем в
области амплитуд. По графику ДГ(т)на
рис. 2.2, б можно измерить величину оп¬
тимального времени контроля тт с боль¬
шей точностью, нежели саму величину
максимального температурное сигнала
АТМ. Таким образом, величина хт явля¬
ется временным информативным критери¬
ем.Ниже увидим, что в односторонней
процедуре ТК более глубокие дефекты
характеризуются бблыиими значениями
хт. Из этого положения следует пришшпдинамической тепловой томографии, со¬
гласно которому дефекты, создающие
близкие значения хт, должны находитьсяв пределах некоторою локализованного
слоя впугри объекга контроля.Помимо параметра хт в ТК исполь¬
зуют время Tj/2 * когда сигнал ДГ(т) дос¬
тигает половины своего максимального
значения АТт / 2 (см. рис. 2.2, б), а также
время максимума первой производной от
температурного сигнала по времени xmuJ.
В методе раннего обнаружения (early de¬
tection) используют очень короткие вре¬
мена динамического теплового процесса
Teariy. когда сигнал АТ(т) мал, но и трех¬
мерная диффузия тепла незначительна.Преимущество использования вре¬
менных критериев дефектности легко по¬
нять, если вспомнить, что форма кривых
Т(т) не зависит от поглощенной энергии.Следовательно, все они должны характе¬
ризоваться одними и теми же значениямивременных информативных параметров.
Отметим, что наличие шумов и теплоот¬
дачи в окружающую среду приводит к
разбросу и временных параметров, поэто¬
му в ТК часто комбинируют амплитудные
и временные критерии.С понятиями амплитудных и времен¬
ных информативных критериев связаны
предложенные В.В. Ширяевым термины
максиграмма и таймограмма (см.
табл. 1.1). Максиграмма есть искусствен¬
ное (синтезированное) изображение, кото¬
рое получают обработкой последователь¬
ности термограмм T(i4j9 т), в результатекоторой в каждом пикселе изображения
формируют величину максимального тем¬
пературного сигнала ATm(i,j) относи¬
тельно выбранной эталонной точки (в
максиграмме значения ATm(iJ) могутсоответствовать различным временам теп¬
лового процесса). Таймограмма есть изо¬
бражение, каждый пиксель которого со¬
держит соответствующее значение2.5.2. Мощностные и фазовые ин¬
формативные параметры. Если к темпе¬
ратурной функции Т(т) применить неко¬
торое интегральное преобразование, в ча¬
стности, преобразование Фурье, ампли¬
тудные информативные характеристики
перейдут в мощностные, а временные - в
частотные или фазовые. Для функции Т на
рис. 2.2 амплитудный спектр преобразо¬
вания Фурье (модуль преобразования М )
показан на рис. 2.3, af а спектр фаз Ф
приведен на рис. 2.3, б. Параметры преоб¬
разования Фурье анализируют на некото¬
рой частоте f.С помощью преобразования Фурье
можно исследовать глубины проникнове¬
ния температурных волн различной часто¬
ты в твердое тело. Известно, что слой ма¬
териала выступает в качестве низкочас¬
тотного фильтра. Иными словами глубина
проникновения температурных волн воз¬
растает с понижением частоты. Поэтому
ПРЯМЫЕ И ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ ТК41Рис. 23. Мощностные и фазовые информативные параметры
(преобразование Фурье) при импульсном ТКанализ высокочастотной части спектра
обеспечивает информацию о поверхност¬
ном и приповерхностном слоях, тогда как
низкочастотная часть спектра ответствен¬
на за температурные отклики от глубоких
дефектов. В последние годы популярна
процедура импульсной фазовой термогра¬
фии, в которой дефектные области обна¬
руживают по аномальным значениям фа¬
зы. Основная идея аналогична использо¬
ванию временных информативных пара¬
метров: на данной частоте ft бездефект¬
ные зоны характеризуются постоянным
значением фазы, которая изменяется в
местах внутренних дефектов.Разновидностью информативных па¬
раметров, возникающих при использова¬
нии преобразования Фурье по времени,
являются амплитуда и фаза поверхностно¬
го температурного отклика, который соз¬
дается гармонической температурной вол¬
ной, распространяющейся от нагреваемой
поверхности вглубь изделия. Подобные
задачи возникают в методе тепловых волн
или синхронной ИК-термографии (thermal
waves, lock-in IR thermography).2.6. ПРЯМЫЕ И ОБРАТНЫЕ
ЗАДАЧИ ТКТеоретический анализ задач техниче¬
ской диагностики с использованием любо¬
го физического метода связан с решением
так называемых прямых и обратных задач
.^математической физики. Понятие прямыхи обратных задач можно трактовать в ши¬
роком смысле как решение уравнений,
описывающих процесс какого-либо испы¬
тания, относительно выбранных неизвест¬
ных функций. В отличие от прямых задач,
решения обратных задач являются при¬
ближенными, и среди множества возмож¬
ных решений следует выбирать оптималь¬
ное.Рассмотрим общую схему ТК
(рис. 2.4): объект контроля с неизвестны¬
ми параметрами ("черный ящик") подвер¬
гается тепловой стимуляции на поверхно¬
сти (или в объеме). В ходе нестационарно¬
го процесса теплопередачи регистрируют
температурные отклики на основных по¬
верхностях объекта (передней и задней).В функциональном виде выходной
сигнал устройства контроля можно запи¬
сать какU(x,y,x) - E(x,y,T)T(W,[L]9[DUQ]) +
+ Ns(x,y,T) + Nd9(2.32)|де Е(х,учх) - функционал, характери¬
зующий излучательные (шумовые) свой¬
ства объекта контроля; Т(х,у.тч[1],[Щ,[б]) - температура поверхности,
зависящая от геометрии объекта [I], па¬
раметров дефектов [D] и источника на¬
грева [Q]; Ns(x,y9x) - функционал адди¬
тивных помех, возникающих вследствие
отражений радиационного потока источ¬
42 Глава 2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В БЕЗДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХОбъектКомпьютерника нагрева и окружающей среды от по¬
верхности объекта конгроля; Nj - функ¬
ционал шума, вносимого детектором из¬
лучения и электронной схемой.Членом Nj, который определяет тем¬
пературное разрешение ИК-системы,
можно пренебречь. Тогда уравнение (2.32)будет выражать известный факт, что погок
излучения, регистрируемый ИК-системой,
складывается из собственного излучения
объекта контроля и отраженного излуче¬
ния посторонних объектов. Структура(2.32) иллюстрирует многопараметричес-
кий характер процедур ТК, в которых чис¬2.7. Сравнительная характеристика прямых и обратных задач ТКПрямые задачиОбратные задачиТеоретические входные данные• Материал объекта контроля• Параметры теплообмена (нагрева или
охлаждения)• Поперечные размеры дефекта• Глубина залег ания дефекта• Толщина дефектаЭкспериментальные входные данные• Материал объекта контроля• Пространственное распределение тем¬
пературы• Динамика температурыВыходные параметры• Пространственное распределение тем¬
пературы• Динамика температуры• Температурный сигнал над дефектом• Оптимальное время регистрацииВыходные параметры• Поперечные размеры дефекта• Глубина залегания дефекта• Толщина дефектаХарактеристика
• Корректное и точное решениеХарактеристика• Некорректно поставленная задача, ре¬
шение которой сводится к выбору оп
тимального варианта из множества воз
можных
АНАЛИЗ КЛАССИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ТЕОРИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ 43то температурный сигнал, несущий ин¬
формацию о дефектах, сопровождается
для всех трех механизмов теплопередачи
излучательно-поглощательными помеха¬
ми.Параметры внутренних дефектов оп¬
ределяют решением обратной задачи, т.е.
инверсией уравнения (2.32):{D}={l,d,hx,hy }= {u{x,y,x)Yl. (2.33)В отличие от обратных задач техни¬
ческой диагностики, связанных с интер¬
претацией экспериментальных данных, с
помощью прямых задач производят мате¬
матическое моделирование процедур НК.
С ростом возможностей компьютерной
техники популярность моделирования
возрастает.Его основными преимуществами яв¬
ляются:1) установление "чистых", т.е. неза-
шумленных, взаимосвязей между пара¬
метрами контроля (при отсутствии помех);2) экономия времени, что особенно
важно при оптимизации процедур НК;3) возможность разработки и провер¬
ки алгоритмов решения обратных задач.Краткая сравнительная характери¬
стика прямых и обратных задач ТК приве¬
дена в табл. 2.7.2.7. АНАЛИЗ КЛАССИЧЕСКИХ
РЕШЕНИЙ ТЕОРИИ
ТЕПЛОПРОВОДНОСТИКлассические решения нестационар¬
ной теории теплопроводности включают
ТФХ изделий, их геометрические пара¬
метры, как правило, по одной пространст¬
венной координате, направленной в глубь
изделия, а также параметры нагрева. Со¬
гласно теории подобия, эти параметры
могут быть объединены в безразмерные
критерии и числа подобия, что позволяет
анализировать решения в обобщенном
критериальном виде.Наиболее распространенными без¬
размерными критериями являются:• критерий Био Bi =— (L -Атолщина пластины), характеризующий
обобщенную толщину изделия;• число подобия Фурье Fo = ^, ха-L2растеризующее обобщенное время;• критерий Предводителева Pd =
wZ,2 (со - циклическая частота тепловыхаволн).В задачах нагрева (охлаждения) без¬
дефектных твердых тел импульсами и те¬
пловыми волнами, которые типичны для
ТК, нестационарные температуры полно¬
стью определяются совокупностью крите¬
риев {Bi, Fo} или {Bi, Fo, Pd}.Скрытые дефекты осложняют анализ
в безразмерном виде. В качестве соответ¬
ствующих безразмерных параметров де¬
фектов предложены следующие (см.
пп. 3.5 и 4.1):и (х Y'2• А* =— — -обобщенный раз-Lмер дефекта в анизотропном изделии в
направлении координаты х (hx - попереч¬
ный размер прямоугольного дефекта в
направлении координаты х);• Rj = —г относительное теп-L / Х2ловое сопротивление дефекта;• Foj - ах И2 - число Фурье, отра¬
жающее течение безразмерного времени в
дефектной области (односторонний ТК);• Bi = //(X RJ) — критерий Био, от¬
ражающий отношение тепловых сопро¬
тивлений слоя основного материала над
дефектом и дефекта (односторонний ТК).При экспериментальном определении
параметров ТК (решении обратных задач
математической физики) необходимо
иметь в виду следующее:1) время нестационарного процесса
является специфическим измеряемым па¬
раметром;
44 Глава 2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В БЕЗДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХ2) в зависимости от геометрии изде¬
лия и процедуры испытаний те или иные
параметры, могут выступать в виде ком¬
плексов, и их отдельная классификация
невозможна;3) многопараметрические задачи
идентификации решают путем минимиза¬
ции функционала, который определяют
как разность между совокупностью экспе¬
риментальных данных, развивающихся во
времени, и соответствующими теоретиче¬
скими решениями; поэтому с более высо¬
кой точностью оценивают те параметры
изделия, которые сильнее влияют на изме¬
ряемые (информативные) параметры;4) одномерные классические решения
позволяют оценить глубину залегания
дефектов и их толщину, но не поперечные
размеры.Последний пункт означает, что ос¬
новным отличием многомерных задач от
одномерных является возможность учи¬
тывать диффузию тепла в материале объ¬
екта контроля вокруг дефектов конечных
размеров.2.7.1. Определение тепловой инер¬
ции материала (передняя поверхность
полуограниченного тела, нагреваемого
импульсом Дирака). Решение задачи на¬
грева полуограниченного тела импульсом
Дирака имеет вид (см. табл. 2.3):Т =W 1
з4п л/т(2.34)Уравнение (2.34) часто строят в ко¬
ординатах LnT = f(Lnx), где оно выра¬
жается прямой линией. В идеальном слу¬
чае для любого момента времени т* теп¬
ловую инерцию тела можно определить по
поверхностной температуре тела и изме¬
ренной поглощенной энергии:W 1Т( т*)(2.35)Последнее выражение иллюстрирует
тот факт, что, используя решение для по¬
луограниченного тела, можно определитьтепловую инерцию твердого тела как ком¬
плекс трех параметров (е = ^Срк), НОневозможно определить каждый параметр
в отдельности. Кроме того, при этом необ¬
ходимо измерять поглощенную телом
энергию, что на практике не всегда удает¬
ся выполнить с необходимой точностью.
Последнюю трудность можно преодолеть,
используя метод эталона:g Tref(x*)П**)(2.36)*ref1де индекс ref относится к эталону. Далее
покажем, как метод эталона применяют
для обнаружения и оценки параметров
подповерхностных дефектов.2.7.2. Определение температуро¬
проводности (задняя поверхность адиа¬
батической пластины, нагреваемой им¬
пульсом Дирака). В классической работе
У. Паркера и соавторов [191 предложено
измерять ряд ТФХ, прежде всего темпера¬
туропроводность, используя выражение
для нестационарной температуры на зад¬
ней поверхности адиабатической пласти¬
ны, нагреваемой на передней поверхности
коротким тепловым импульсом (импуль¬
сом Дирака), см. табл. 2.4:• = е£=1+2£(-1)ие-я,я1л\(Wa/XL)(2.37)График функции ©£, показанный нарис. 2.5, стартует из нулевой точки и
стремится к стационарному значению
Г -> WalXL. В случае реальной (неадиа¬
батической) пластины, температура зад¬
ней поверхности достигает максимума,
после чего спадает из-за сброса энергии в
окружающую среду (см. штриховую ли¬
нию на рис. 2.5).Нарастающий фронт температурного
отклика позволяет выделить характерные
точки, каждой из которых соответствует
характеристическое время теплопередачи
х *, в частности:
АНАЛИЗ КЛАССИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ТЕОРИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ 45• время достижения половины мак¬
симального значения т1/2;• время максимума первой произ¬
водной х mJ.Для любого экспериментально изме¬
ренного времени т* значение коэффици¬
ента температуропроводности можно оп¬
ределить из очевидного соотношения:a = Fo*4. (2-38)Iгде коэффициент Fo* определяется из
уравнения (2.37). В частности,Fo*-0,1388для т1/2;Л>* = 0,0918для xmJ. (2.39)Преимуществом использования ха¬
рактеристического времени xmd являетсявозможность определения температуро¬
проводности в режиме реального времени,
т.е. не дожидаясь времени наступления
максимума температурной кривой, необ¬
ходимого для вычисления Т|/2, а такжеего более слабая зависимость от интен¬
сивности теплообмена с окружающей сре¬
дой. Однако необходимость вычисления
производной дТ/ск для зашумленного
сигнала вызывает рост высокочастотных
шумов, что снижает эффективность этого
подхода. Поэтому наиболее применим
метод Паркера с использованием характе¬
ристического времени т1/2.Метод Паркера, или импульсный ме¬
тод (Parker’s method, flash method), обла¬
дает высокой точностью, благодаря чему
его используют в большинстве исследова¬
ний по анализу температуропроводности
твердых тел. Существуют различные мо¬
дификации метода, в которых точность
измерений повышают:1) учетом теплоотдачи на поверхно¬
стях объекта контроля;2) более строгим обоснованием вы¬
бора характеристического времени т *;3) учетом конечных размеров объекта
контроля и т.п.ТРис. 2.5. Изменение температуры
на задней поверхносги пластины,
нагреваемой импульсом ДиракаПомимо коэффициента теплопровод¬
ности, метод Паркера позволяет также
определить коэффициент теплоемкости,
для чего, наряду с толщиной изделия, не¬
обходимо измерить величину поглощен¬
ной энергии W. По известным а и X
можно определить теплоемкость:
С = Х/(ра).Для передней (нагреваемой) поверх¬
ности адиабатической пластины, структу¬
ра соответствующего импульсного реше¬
ния (см. табл. 2.4) такова, что характерные
точки на температурной кривой отсутст¬
вуют и определение ТФХ сложнее, чем
при использовании решения для обратной
поверхности. Чувствительность этого ре¬
шения, например к изменениям темпера¬
туропроводности, ниже, чем на задней
поверхности.2.7.3. Определение толщины изде¬
лия (передняя поверхность адиабатиче¬
ской пластины, нагреваемой импуль¬
сом Дирака). Представляет интерес опре¬
деление остаточной толщины изделия, в
особенности, при оценке степени корро¬
зии самолетных панелей, труб и резервуа¬
ров, путем анализа температурного откли¬
ка на передней поверхности. На практике,
как правило, неизвестны как толщина L,
так и температуропроводность изделия а.
46Глава 2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В БЕЗДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХБазовая теория разработана для от¬
носительно тонких металлических пла¬
стин, нагрев которых в силу малых значе¬
ний критерия Био (fil <0,1) является адиа¬
батическим. Поэтому однородные области
большой протяженности в течение дли¬
тельного времени сохраняют температуру,
близкую к адиабатическому стационарно¬
му значению Т= Wa/XL.Если принять, что в зонах коррози¬
онного износа толщина пластины снижена
до значения / ^ I, то на передней поверх¬
ности пластины в конце теплового про¬
цесса возникает температурный сигнал
между бездефектной и дефектной облас¬
тями:Wa WaAT = T,,-Tnd=—-и XL’(2.40)откуда потерю материала AL = L-/ мож¬
но оценить по простой формуле£ Td(2.41)2.7.4. Определение оптимального
времени обнаружения подповерхност¬
ных дефектов (полуограниченнос тело,
нагреваемое импульсом Дирака). Тем¬
пературу полуограниченного адиабатиче¬
ского тела на глубине z определяют из
соответствующего общего решения, кото¬
рое аналогично решению (2.34):Т IWaite yJnFo2е ,Mfo*, (2.42)Fom&FDРис. 2.6. График функции Fo ОDдля передней поверхности пластины,
нагреваемой импульсом Диракагде Fo2= ат/z2.Феноменологически можно считать,
что дефект в виде нарушения сплошности,
расположенный на глубине z = /, будет
обнаружен, если "пакет тепловой энер¬
гии", высвободившийся на поверхности,
достигнет точки z, отразится от поверх¬
ности дефекта и вернется на поверхность.
Анализируя производную дТ/дх функции
из формулы (2.42), можно показать, что
максимальная температура на глубине /
имеет место при I/ = /2/2а. Тогда оценкой
оптимального времени обнаружения под¬
поверхностного дефекта являетсяi2=2т, =1 /а.(2.43)Границы применимости оценки
(2.43), часго рекомендуемой различными
исследователями, показаны ниже.2.7.5. Манипуляции с функцией
температурного отклика на передней
поверхности пластины. Одной из труд¬
ностей анализа температурного отклика
передней поверхности пластины на сти¬
муляцию импульсом Дирака является от¬
сутствие в нем характерных временных
точек. Тем не менее, такие точки можно
создать искусственно путем соответст¬
вующей обработки температурного откли¬
ка.В главе 4, посвященной тепловой де-
фектометрии, будет показано, что в функ¬
ции температурного отклика передней
поверхности изделия имеются характер¬
ные точки, обусловленные границами раз¬
дела сред между различными материала¬
ми, в частности границами дефектов.Формированием некоторых ком¬
плексных параметров можно подчеркнуть
характерные точки, а их положение во
времени использовать для определения
глубины залегания границы раздела.Например, можно рассмотреть искус¬
ственную функцию, образованную произ¬
ведением кубического корня из времени
на основную функцию:О л, (2.44)
АНАЛИЗ КЛАССИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ТЕОРИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ 47Т,Скоторая характеризуется минимумом при
Fo* = 0,2656 (рис. 2.6). Очевидно, находя
этот минимум соответствующей обработ¬
кой экспериментальных данных, можно
определить коэффициент температуропро¬
водности.О.Ю. Троицким с сотрудниками
предложен другой безразмерный параметрК= .ЛХУу, (2.45)x[dTldi]названный показателем тепловой одно¬
родности образца [20].Физический смысл этого параметра
связан с использованием регулярного ре¬
жима нагрева, в ходе которого темп нагре¬
ва однородного изделия остается постоян¬
ным, т.е. производная от температуры по
времени не изменяется.На рис. 2.7 изображено изменение
параметра К во времени для пластины
толщиной 3 мм, нагреваемой импульсом
Дирака. Рассмотрено три варианта струк¬
туры пластины.Для однородного изделия величина
К, будучи отрицательной на стадии охла¬
ждения, после прохождения начального
нерегулярного режима остается постоян¬
ной вплоть до длительных времен, когда
начинают сказываться задняя поверхность
и теплоотдача.Видимые отклонения К от посто¬
янного значения в определенные моментывремени связаны с наличием границ раз¬
дела.Граница между резиной и эпоксид¬
ной смолой прослеживается слабо ввиду
близости ТФХ этих материалов. Сущест¬
венное отклонение К в отрицательную
область имеет место для границы раздела
резина-воздух. В свою очередь более теп¬
лопроводная сталь вызывает отклонение К
в положительную область.При экспериментальной реализации
данного метода следует иметь в виду, что
операции деления и дифференцирования,
необходимые для формирования К, могут
существенно ухудшать отношение сиг¬
нал/шум, поэтому характерные точки во
временнбм развитии показателя тепловой
однородности целесообразно использо¬
вать при анализе тонких изделий, состоя¬
щих из разнородных материалов.2.7.6. Нестационарный нагрев мно¬
гослойных пластин. Моделью струк¬
туры из двух материалов, соединенных
связующим материалом, в котором возни¬
кают дефекты, может служить трех¬
слойная пластина, в которой средний слой
поочередно представляет либо связующий
материал, либо дефект (рис. 2.8). Вели¬
чину температурного сигнала от дефекта
рассчитывают как разность двух решений,
первое из которых соответствует дефек¬
тной области, а второе - бездефектной.
48Глава 2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В БЕЗДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХЗадняя поверхностьРис. 2.8. Трехслойная модель ТК (емкостной дефект)Трехслойная неадиабатическая пла¬
стина с идеальным контактом слоев.
Данная модель описывает емкостные де¬
фекты, характеризующиеся, как и безде¬
фектные слои, определенными значения¬
ми тепло- и температуропроводности:д2Т дт . , .
а> dz2 ~ дт '' -3:z = 0-L; т>0; (2.46а)
T(z, х = 0) = 0; (2.466)- VC?(T)-a'7i(= = 0,т);(2.46 в)-Х,^ЬМ,а«Гз(г=г,.,)dz(2.46 г), dTl(z = I/,t) ^ 8Tj^(z = lj,x)
' dz ,4t dzУ = 1—2;(2.46 д)^(г=/гг)=7)+1(г=//,г); j=1-2.(2.46 е)Уравнение (2.46а) - одномерное
дифференциальное уравнение теплопро¬водности параболического типа; (2.466) -
начальное условие; (2.46в) - граничное
условие на передней (нагреваемой) по¬
верхности; (2.46г) - граничное условие на
задней поверхности; уравнения (2.46д) и
(2.46е) условия непрерывности тепловых
потоков и температуры на границах слоев.
В зависимости от вида функции
Q(x) можно моделировать различные ти¬
ны нагрева. Например, решение для функ¬
ции нагрева в виде прямоугольной с гу¬
леньки Tsh позволяет получить решения
для нагрева импульсом Дирака (7Ь) и пря¬
моугольным импульсом (Тчр):т (г\ — (т).D } йх (2.47)т5Р{ъч) = ЬМ-тА*~ч)-Базовым считаки решение TD(т)длязадачи ТК, в которой нагрев осуществля¬
ется импульсом Дирака. Решение для слу¬
чая нагрева импульсом произвольной
формы ф(т) получают с помощью инте¬
грала Дюамеля:гт9( т)= |7Ь(т-т’)Ф(т')Л\
АНАЛИЗ КЛАССИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ТЕОРИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ 49причемw|<р(т!)Л!=1.(2.48)На практике часто используют реше¬
ние для прямоугольного импульса нагре¬
ва, которое легко трансформируется в
случай нагрева мгновенным импульсом, а
также в случай непрерывного нагрева
(программа "Мультилэйер-З" ООО "Инно¬
вация", Россия).Трехслойная модель (2.46) является
базовой, поскольку с ее помощью можно
моделировать различные задачи ТК (по¬
крытие на подложке, многослойные изде¬
лия и т.п.). При этом возможно изучать
влияние на температурный сигнал
ДГ(т) большинства практических пара¬
метров за исключением поперечных раз¬
меров дефектов. Принципиально одно¬
мерная модель вида (2.46) непригодна для
моделирования нагрева тел локализован¬
ным (сканирующим или неподвижным)
источником тепла.Решения задач нагрева многослой¬
ных изделий в явном виде требуют трудо¬
емких вычислений, из которых достаточно
нетривиальным является необходимость
вычислять корни сложных трансцендент¬
ных уравнений. Поскольку для этого ис¬
пользуют компьютерные средства, пре¬
имущества подобных аналитических ре¬
шений становятся малозначимыми по
сравнению с гибкими численными реше¬
ниями. Тем не менее, многослойные ана¬
литические модели целесообразно исполь¬
зовать для оценки точности численных
решений в дефектных областях, что за¬
труднительно сделать с помощью класси¬
ческих решений.Расчет задач нагрева неадиабати¬
ческих изделий с числом слоев более 3 в
аналитическом виде теоретически возмо¬
жен, но практически труден из-за гро¬
моздкости получающихся выражений. В
этих случаях рекомендуется применять
численные методы. При наличии в теле
нескольких тепловых барьеров, т.е. зон
контакта различных материалов, односто¬ронним методом удается исследовать
только 2 ... 3 барьера, наиболее близко
расположенных к передней поверхности.
Для анализа более глубоких слоев следует
применять двусторонний тепловой метол.Анализ нагрева многослойных адиа¬
батических пластин удобно проводить
методом термического четырехполюсни¬
ка, теория которого и соответствующие
компьютерные программы описаны в [18].
Часто ограничиваются анализом решений
в области Лапласа без возвращения в об¬
ласть оригиналов. Этот меюд для реше¬
ния задач (епловой дефектометрии описан
в п. 4.5.Трехслойная адиабатическая пла¬
стина с идеальным контактом слоев.Пренебрежение теплоотдачей на наруж¬
ных поверхностях пластины упрощает
решение и делает его более пригодным
для использования в задачах тепловой
дефектометрии.Решение для передней поверхности
адиабатической трехслойной пластины,
надеваемой импульсом Дирака, получено
Д. Балажа и др. [6J (модель (рис. 2.8) при
aF=a* = 0):4/ „ч v,Jkj-A и2щ—х71]Гх, V/C0S(V,Y„)1-1(2.49)где уп - корень трансцендентного урав¬
нения;sin(vt у)=0; Тт=1Г1'*Гр1С111;1-1/«1Х\ “е13 "*“e\2 + е23 + I* ®| “Л13 + П23
50Глава 2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В БЕЗДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХп=\хехр[-ац„т],f \2“f \1+a2 M +1-a+ 2-А-*е(и»А)sin(2n„/,)+
\2T^-cos(^/,)-sin(nn/,) sin(Mn/2)-T^-COs(n„/2)лИяРис. 2.9. Двухслойная пластина с
резистивным дефектомХг ~е\з ~е\2+е2з “1*0>2=Л|3+Л23-1;Хз = е\г+ е\2 е2У+ U®з=Л1з~Л2з+1;Хл =e\y+e\2~e2S~b0>4 = Л13 -Л23 “1;e4=e,>ei=^iCiPi> Лу =л,/л7;Л/ ^ А *W- плотность энергии нагрева в Дж/м2.Двухслойная неадиабатическая
пластина с контактным сопротивлени¬
ем между слоями (нагрев прямоуголь¬
ным импульсом). Решение (2.49) имеет
более простой вид в случае нагрева двух
адиабатических пластин толщиной соот¬
ветственно 1Х и /2, разделенных рези¬
стивным слоем с тепловым сопротивлени¬
ем Rd-dl\d (рис. 2.9). Температуру пе¬
редней поверхности после воздействия
прямоугольного импульса длительностью
тл определяют по выражению [21]:TF(т > ТА) = УХ ЗЕ13М»"1 х^*D(an) ацйх„'rf \2“r \- 1+a+UmJ+2Т,Г*8^)sin(2n„/2)Lгде Тл - однородная температура адиаба¬
тического образца (а = 0) при больших
временах; - корни трансцендентного
уравнения1/й,■ = ctg+ ctgц/,-arctgг \
а-ш4£(2.51)которые находят одним из известных спо¬
собов.Двухслойная адиабатическая пла¬
стина с контактным сопротивлением
мезеду слоями (нагрев импульсом Ди¬
рака). Еще более простое решение полу¬
чено Д. Балажа и др. для случая нагрева
адиабатической пластины импульсом Ди
рака [6] (рис. 2.9):2/ \ ^XiYi «ч У хТ *1%, *“1=1(2.50)2^X,cos{y, v*)+(-l)'x
1*1
АНАЛИЗ КЛАССИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ТЕОРИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ51х Д*Ул sin(y, vj .+(-iy/?*y,vAsinfy,v*)(2.52)ОТя-\1^с,р,1,х &=*i2-(-O';/*1У, =Л|2 —*=1.2;
ЛивЛ|/Л2; R"d=exRdlx\2\е, =л/С<Р/ Х> • /®*:4i= АI ^[^i >Уд - Jt-й положительный корень транс-Х-.где Re означает действительную часть
комплексного выражения.Функция нагрева включает два члена:
постоянный Qq/2 и осциллирующийехр(Усох) (постоянная составляющая на¬
грева будет опущена в дальнейшем рас¬
смотрении этого параграфа). Решение од¬
номерного дифференциального уравнения(2.14) для осциллирующей составляющей
имеет видT(z4x\ = ехр(-о.т + /сот)я-/-^ х
Ха yjCpXcoцендентного уравнения:2sin(y, v)- (- 1У R*d v cos(y, v)=0.1*1Величина Rd является безразмернымгепловым сопротивлением дефекта, зави¬
сящим от ТФХ обоих слоев.В рамках одномерного приближения
решение (2.52) используют для изделий из
металлов и композиционных материалов с
дефектами в виде расслоений.2.7.7. Одномерные тепловые вол¬
ны. Тепловые волны возникают в резуль¬
тате инжекции в исследуемый объект мо¬
дулированной тепловой энергии.Полуограниченное адиабатическое
т£ло. Рассмотрим некоторые общие черты
гармонических температурных волн, рас¬
пространяющихся в адиабатическом по-
луограниченном твердом теле в результате
стимуляции поверхности тела тепловым
потоком, который описывается выражени¬
еме(т)=е0[1 + cos(cot)], (2.53)fгде со - циклическая частота.Адиабатическое граничное условие
приz= 0 имеет вид:хехр— z.ехрCDX-Z.со к2 а 4/_(2.55)где ст = (1+j)J&/(2a). Выражение (2.55)аналогично выражению для амплитуды
электромагнитной волны в скин-слое
электропроводных материалов (металлов).
Аналогия с оптическим излучением по¬
зволяет ввести в рассмотрение ряд эффек¬
тов, характерных для волновых процессов,
таких как отражение, преломление, рас¬
сеяние и т.п.Как любые распространяющиеся
волны, тепловые волны в твердом теле
обладают волновым векторомRe(o)= 1/ц = ^со/(2а),где ц - длина тепловой диффузии.С учетом \х выражение (2.55) прини¬
мает вид:г-——^exp(-z'|i)x
д/СрХсох ехр |у^(о т - z / ц - j(2.56)-xf£-&|l+«.(»T)]- pJ4)= Re {|2о [1 + expO't» t)]},Тепловые волны экспоненциально за¬
тухают с ростом глубины; можно считать,
что они не проникают глубже трех длин
тепловой диффузии (z - Зц). Таким обра¬
зом, глубина проникновения тепловых
волн увеличивается с повышением темпе-
52 Глава 2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В БЕЗДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХратуропроводиости и/или уменьшением
частоты.Например, на поверхности Земли
действуют два типа тепловых волн с пе¬
риодом, равным одним суткам (суточные
волны) и одному году (годовые волны).
Наиболее глубоко (2 ... 3 м) проникают в
почву именно годовые волны, обладающие
сверхнизкой частотой. Суточные темпера¬
турные колебания достигают глубины 10 ...
20 см, что используегся в тепловом методе
обнаружения заглубленных противотанко¬
вых мин.Тепловые волны обладают также дис¬
персией. поскольку высокочастотные вол¬
ны распространяются быстрее низкочас¬
тотных. Фазовая скорость тенлрвых волн
определяется какv = cou = V2асо.(2.57)Сдвиг фазы между стимулирующей
тепловой волной и поверхностной волной
(г = 0) равен -45°. С ростом глубины
сдвиг фазы возрастает на величину, опре¬
деляемую соотношением ф = -г/ ц - я/4 .Тепловая волна характеризуется им¬
педансомZ —11(2.58)который определяет амплитуду волны на
поверхности изделия. Амплитуда волны
возрастает в материалах с малой тепловойинерцией е = ^]СрХ .Подобно коэффициенту температу¬
ропроводности, коэффициент тепловой
активности (тепловая инерция) является
динамической характеристикой материа¬
ла; как правило, ббльшая температуропро¬
водность сопровождается бблыией тепло¬
вой инерцией. С этой точки зрения пара¬
доксальными свойствами обладает воздух,
который благодаря низкой плотности име¬
ет коэффициент температуропроводности,
близкий к металлам, но характеризуется
очень низким коэффициентом тепловой
активности.Полуограниченное неадиабатиче¬
ское тело. Решение задачи нагрева
полуограниченного неадиабатического те¬
ла гармоническим тепловым потоком,
приведенное в табл. 2.5, является более
общим, нежели решение (2.55), однако
оно не содержит параметра толщины
изделия. Поэтому более детальный анализ
амплитуды и фазы температурных волн
выполнен ниже для неадиабатичсской
пластины.Неадиабатическая пластина. Для
пластины с интенсивностью теплообмена
а на передней поверхности и адиаба¬
тической задней поверхностью решение
имеет вид:Т&й = a cos (Pd Bi-V);Qm'o. (2.59)Z = z!L\ A = (N,Nj'2 ит.д.где z - координата, направленная вглубь
изделия; Qm - максимальная плотность
мощности поглощенного теплового по¬
тока; а - коэффициент теплообмена на
нагреваемой (передней) поверхности; А -
амплитуда тепловой волны; *Р - фаза теп¬
ловой волны; L - толщина пластины;
X - коэффициент теплопроводности; В1 и
Pd - критерии Био и Предводителева.При асимптотическом анализе (2.59)
можно показать, что амплитуда и фаза на
поверхности пластины при L—»ос будут
соответствовать найденным из соответ¬
ствующих выражений для полуограни¬
ченного тела.В теории тепловых волн обычно ана¬
лизируют затухание амплитуды и сдвиг фа¬
зы тепловой волны с глубиной, тогда как в
ТК имеют дело с поверхностным решением
(г = 0), параметром которого является глу¬
бина залегания дефекта.Ниже использовано решение (2.59),
согласно которому поверхностная темпе¬
ратура есть функция трех переменных: {т,
Bi9 Pd). Амплитуда и фаза температурной
волны зависят от двух параметров: Bi, Pd.
АНАЛИЗ КЛАССИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ТЕОРИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ 53Рис. 2.10. Амплитуда (а) и фаза (6) тепловой волны в обобщенных координатах,
определенные но формулам (2.59)Графики этих функций изображены
на рис. 2.10 для значений Bi и Pd, соответ¬
ствующих композиционным материалам.
Амплитуда температурной волны снижа¬
ется с росгом критерия Предводителева,
асимптотически стремясь к нулю. В соот¬
ветствии с ранее сделанными выводами
это означает, что высокочастотные волны
не создают заметных сигналов на поверх¬
ности изделий значительной толщины,
которые характеризуются большой тепло¬
вой инерцией.Температурные волны на границе
раздела двух сред. Рассмотрим явления
отражения и преломления (пропускания)
тепловых волн на границе раздела двух
сред (рис. 2.11). Коэффициенты отраже¬
ния R и пропускания Т равны [24]:/? = Г = -(2.61)В случае плоских (одномерных) волн1 -/>, 2
1+А 1+6Таким образом, тепловые волны про¬
ходят через границу раздела двух сред и
отражаются от нее аналогично электро¬
магнитным или акустическим волнам. Ес¬
ли тепловая волна из твердого тела выхо¬
дит в воздух, то коэффициент ее отраже¬
ния близок к единице из-за низкого коэф¬
фициента тепловой активности воздуха.
Тем не менее, в случае тонких воздушных
дефектов ситуация становится более
сложной из-за возникновения интерфе¬
ренции тепловых волн в воздушном про¬
межутке. При этом решающую роль начи¬
нает играть толщина дефекта (см. п. 3.2.3).COS (©,„)- 6 cos (0f^r)COSiOj + bCQSi&rtf.) 'Падающая
волна(2.60)Т = -2cos (0/я)cos(0i„)+6cos(0r^)где Ь = е2 /е, характеризует степень теп-
лового согласования двух сред, а индексы
in и refr обозначают соответственно углы
падения и преломления.Отраженная
волнаПреломленная
волнаРис. 2.11. Отражение и преломление
тепловых волн на границе раздела двух сред
54 Глава 2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В БЕЗДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХ2.7.8. Связь импульсных и гармо¬
нических тепловых волн. Процессы как
импульсного, так и гармонического нагре¬
ва твердых тел имеют одну и ту же физи¬
ческую природу. Формально решения для
тепловых волн получены в области час¬
тот (frequency-domain), в то время как
импульсные решения находятся во вре¬
менной области (time-domain). Как из¬
вестно, связь таких решений осуществля¬
ется преобразованием Лапласа. Решение
во временной области 7,(т) может бытьполучено с помощью ряда Фурье, исполь¬
зуя решение в частотной области:00Т(г,т) = £лК)Г(2,сой,т), (2.62)
/1=1где 7,(z,co/f,x) - плоская тепловая волна
циклической частоты соп, распростра¬
няющаяся в направлении координаты Z и
используемая в качестве базисной функ¬
ции ряда Фурье; Л(<оп) - вклад волныданной частоты в общий импульсный от¬
клик.Поскольку спектр прямоугольного
импульса непрерывен, ряд Фурье может
быть заменен интегральным преобра¬
зованием.Приведенное выше поясним на при¬
мере нагрева полуограниченного тела им¬
пульсом Дирака. Дираковское выделение
энергии на поверхности тела z = О экви¬
валентно нагреву тепловыми волнами не¬
прерывного спектра частот и одинаковой
энергии, которые являются синфазными
при z = 0 и т = 0.Распространение исходного теплово¬
го импульса в глубь тела можно тракто¬
вать как распространение пакета тепловых
волн различной частоты, которые испы¬
тывают затухание по амплитуде и сдвиг
по фазе в зависимости от частоты. Темпе¬
ратурный отклик тела на глубине z в мо¬
мент времени т может быть получен сум¬
мированием амплитуд всех тепловых волн
при (z, т), для чего следует применить
формулу (2.55):T{z, т)=У—ехр(- ст„ z)exp(/<o„ т).(2.63,Здесь Qq выражено в Вт/м2. Заменив
ряд интегралом и обозначив у со = лг, по¬
лучим:г(г',)4/Дтелр1'<’Мг1’<х exp(s x)ds = W0(2.64где IT1 - обратное преобразование Лапла¬
са; W0 - полная энергия исходного им¬
пульса, выраженная в Дж/м2. С учетом
таблицы обратного преобразования Лап¬
ласа и a = V»7a окончательное решение
имеет видT(z9 т) = . exp(-z2/4ат), (2.65)
д/яСрА,!идентичный соответствующему решению
в табл. 2.3.2.7.9. Стационарная теплопередача
теплопроводностью через плоскую
стенку и определение термического со¬
противления. В динамическом ТК иссле¬
дуют процессы нестационарной теплопро¬
водности. Ниже рассмотрена стационар¬
ная теплопередача через плоскую стенку,
поскольку соответствующие задачи воз¬
никают при тепловизионной диагностике
ограждающих конструкций зданий и со
оружений, а также дымовых труб. В осо
бенности это относится к определению
термического сопротивления стенки.Пусть плоская стенка разделяет двесреды с различной температурой Г" иТом (Рис- 2.12). Теплообмен на поверхно¬
стях пластины характеризуется коэффи¬
циентами ат и аоы/. Однослойная пла
стина обладает термическим сопротивле¬
нием Rt-L/X9 многослойная
АНАЛИЗ КЛАССИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ТЕОРИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ 55NЛ/=^Гь,/к1. Тепловой поток через
|»1
стенку<2=w __ *pw Фв __ j>a- ы т' или g = , (2.66)Rf RTm + ^out^outTw —
*out ““(°H. (2.67)где R = 1/аи + Rt +1 /<*«,/ - полное тепло¬
вое сопротивление стенки с учетом сопро¬
тивлений пограничных слоев, зависящих
от соответствующих коэффициентов теп¬
лообмена.Схеме (рис. 2.12) соответствует теп-
ловизионная диагностика качества тепло¬
изоляции дымовых труб или ограждаю¬
щих конструкций строительных сооруже¬
ний. С помощью тепловизора измеряют
температурное поле на наружной поверх¬
ности ствола трубы (стены здания) Т„и, и
по его амплитуде или текстуре судят о
наличии скрытых дефектов и оценивают
их параметры (см. главу 9).Результат решения соответствующей
прямой задачи теплопроводности для по¬
верхностной температуры имеет вид:Рис. 2.12. Теплопередача
теплопроводностью через плоскую стенкулового потока через исследуемую стенку;
тепловизор используют как средство из¬
мерения температуры внутренней и на¬
ружной поверхности ограждающей конст¬
рукции.В работе [25] на примере тепловизи-
онной диагностики дымовых труб показа¬
но, чго ИК-термография более пригодна
для оценки локальных вариаций термиче¬
ского сопротивления стенок, нежели для
определения его абсолютного значения.
Если на наружной поверлности ограж¬
дающей конструкции измерить с помо¬
щью гепловизора величину поверхностно¬
го температурного градиента Д7^ в зонепредполагаемого дефекта, го соответст¬
вующее ему изменение термического со¬
противления можно найти по формуле:Определение термического сопро¬
тивления стенки представляет собой ти¬
пичную обратную задачи технической
диагностики, которую, согласно
ГОСТ 26254-84, решают измерением теп-а(1+а miRtY(2.68)а,h-аout (Tout Т£)_ДТИ'
out *
Глава 3ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХ И
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕДУР ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ3.1. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ТКОдномерные, в том числе много¬
слойные, задачи решают аналитически с
использованием операционного метода,
метода термического четырехполюсника
или функций Грина, тогда как для много¬
мерных моделей наиболее пригодны чис¬
ленные методы. Ниже будут рассмотрены
некоторые особенности применения ана¬
литических и численных методов при ис¬
следовании теплопередачи в твердых те¬
лах, содержащих скрытые дефекты типа
нарушения сплошности.3.1.1. Теплофизическое описание
дефектов. Внутренние дефекты искажают
регулярное лечение тепловых потоков в
объекте контроля и соответственно при¬
водят к локальным температурным анома¬
лиям, которые передаются через материал
объекта на его поверхность, где регистри¬
руются аппаратурой ТК в виде темпера¬
турных сигналов AT(x,y\z = 0, т).Внутренние дефекты различного ви¬
да описываются различными граничными
условиями. Если дефект моделируют сло¬
ем инородного материала, например, газо¬
наполненным промежутком между слоями
композита, на границе тело-дефект имекм
место условия неразрывности теплового
потока и температуры:Т — 7'a X — X (3 \)lnd - id* I 'При введении условий (3.1) необхо¬
димо решать дифференциальное уравне¬
ние теплопроводности не только в основ¬
ном материале, но также и в дефекте,
"сшивая" решения на границе дефект -
основной материал. При этом распределе¬
ние температуры в объекте контроля бу¬дет зависеть от теплопроводности и тем¬
пературопроводности (теплоемкости) де¬
фекта.Теплоемкость дефекта может суще¬
ственно влиять на величину температур¬
ного сигнала и его временное развитие в
ходе нагрева/охлаждения, если она сопос¬
тавима с 'теплоемкостью объекта контроля
(в двусторонней процедуре ТК) или слоя
материала над дефектом (в односторонней
процедуре). Такие дефекты иногда назы¬
вают емкостными. Емкостными дефекта¬
ми являются противопехотные мины, раз¬
мещаемые в почву на глубину до 10 см.Влияние теплоемкости дефекта также
может быть заметным в случае обширных
неглубоких расслоений в композиционных
материалах. Емкостной характер дефекта
ответствен за так называемую инверсию
температурного сигнала, когда дефектная
область над низкотеплопроводным (воз¬
душным) дефекюм в односторонней про¬
цедуре ТК становится холоднее безде¬
фектных областей, т.е. АТ (т) < 0 (см.также п. 3.8.1).Если теплоемкостью дефекта можно
пренебречь, то его основной теплофизиче¬
ской характеристикой является тепловое
сопротивление Rd = d!Xd. Такие дефектычасто называют резистивными. На грани¬
цах резистивных дефектов температура
изменяется скачкообразно, а тепловой по¬
ток остается неразрывным:Tdx-Td2 = Rd[-\?^jdT*i - 1 drrfl^nd -(3.2)8zгде индексы d\ и cf2 обозначают перед¬
нюю и заднюю поверхности дефекта.
МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ТК57В зоне контакта двух шероховатых
материалов возникает "контактное теп¬
ловое сопротивление”. Дефекты такого
вида характерны для сварных соединений
и покрытий. В частности, при диффузион¬
ной сварке возможны дефекты на границе
свариваемых материалов, в зоне которых
имеегся контакт материалов, но нет их
взаимного проникновения. Аналогичные
дефекты, называемые в англоязычной ли¬
тературе "целующимися" (kissing), могут
возникать между слоями композиционно¬
го материала.Модели ТК с резистивными дефекта¬
ми имеют более простой вид и часто ис¬
пользуются при разработке алгоритмов
тепловой дефектометрии.3.1.2. Преобразование Лапласа и
метод "термического четырехполюсни¬
ка". В классической теории теплопровод¬
ности большинство решений задач нагрева
тел простой формы получено с помощью
интегрального преобразования Лапласа.Преобразование Лапласа F(p) функ¬
ции /(т) определяется выражением
00F(P) = J/(t) е'1” ch= L[ f{т)|. (3.3)ООбратное преобразование осуществ¬
ляют по формуле обращенияО»-/0012я j/(т) = T'[F(p)] = \F{p)epxdp.О У or(3.6)П(р) В1р+В1р* 4...
го по теореме разложенияДт) = L 1 [^] = еР" ‘ * (ЗЛ)П(р) ^(Д.)где р„ - простые корни т](р), причем зна¬
менатель г\(р) не содержит свободного
члена.Если F(p) есть отношение двух поли¬
номов, причем степень полинома <р(р)
меньше степени полинома т](р) и полином
г\(р) имеет корни крашости к в точках рт,
то-ШР *р.хV 1Ч{р){р-Рт4 грт\ф*-‘ц{р)(3.4)где интегрирование проводят в комплекс¬
ной плоскости вдоль прямой ст =• const,
параллельной мнимой оси.Другая форма записи (3.4)Дт) = F(n){—)]. (3.5)п\ X XЕсли изображение F(p) есть дробнаяфункция р, что часто встречается в зада¬
чах ТК,(3.8)где суммирование производят по всем
корням F(p).В простых случаях оригинал изобра¬
жения можно найти в соответствующих
таблицах.Одной из основных целей теоретиче¬
ского анализа задач ТК является разработ¬
ка алгоритмов решения обратных задач с
целью определить парамефы скрытых
дефектов но результатам эксперименталь¬
ных наблюдений. Аналитические реше¬
ния, полученные классическими метода¬
ми, настолько громоздки, что их обраще¬
ние (инвертирование) невозможно. Отно¬
сительно простые решения прямых и об¬
ратных задач ТК, в основе которых лежит
анализ решений в области Лапласа, где
соответствующие формулы носят алгеб¬
раический характер, получены с помощью
метода "термического четырехполюсника”
[18] (см. также п. 4.S). Ниже изложены
основные положения этого метода.Пусть протяженная однородная пла¬
стина толщиной / нагревается тепловым
потоком Q. Одномерное распределение
58Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХРис. 3.1. Ма1ричное представление задачи
нагрева однослойной пластинытемпературы в пластине описывается
функцией 71(z, х) (как было условлено ра¬
нее, начальная температура принята нуле¬
вой и решение рассматривается для избы¬
точной температуры). Эта функция есть
решение дифференциального уравнениядТ д2Т
дх ° *~2причем Т(х =■ 0) = 0. Плотность теплового
потока внутри пластины определена зако¬
ном Фурьей(гл)-Х^. (ЗЛО)Образы Лапласа для 1\z, т) и q(z, х)
имеют видооe(z,p)= ^T[z,x)e'in dx;оооф(г,р)= ^Q{z,x)e~px dx.(3.11)Метод "термического четырехполюс¬
ника" наглядно реализуется, если рассмат¬
ривать только лапласовские образы тем¬
пературы и тепловых потоков на передней
и задней поверхностях пластины: 0F, 0*,
Ф^ Фя. Вышеуказанные четыре величины
связаны между собой матричным уравне¬
нием [18]:К1-■Vв'=мV.ф J[сDф*ф*A as D = cosh(A- Ь)\ 5 = sinh(£L);Кк, ч I (З-12)C = Xksinh(k L); k=*Jp/a.Коэффициенты A, 5, С, D зависят от
параметра преобразования Лапласа р,
толщины пластины L и ТФХ материала
пластины. Уравнение (3,12) справедлив^
для любого типа граничных условий.Матрица М с ее четырьмя коэффици
ентами А, В, С, D характеризует рассмат¬
риваемую систему с внешней стороны,
поскольку функции 0F, 0*, Ф*, Ф* опре¬
делены только для входа и выхода систе¬
мы (графическое представление на
рис. 3.1).Удобство представления решения в
виде (3.12) состоит в том, что в случае
многослойной нластины нужно перемно¬
жить матрицы Л/„ определенные для каж
дого слоя. Ниже рассмотрен нагрев им¬
пульсом Дирака трехслойной пластины, в
которой центральный слой имитирует де¬
фект, обладающий только тепловым со¬
противлением Rd.Решение в матричной форме выгля¬
дит следующим образом:(3.13)©л= M,MdM3W\ а о0где Л/ь Л/2 -- матрицы, характеризующие
слои изделия (кроме дефекта).Соответственно для матрицы
описывающей "дефектный" слой,Ad=Dd = 1; Bd = Rd; Cd = 0. (3.14)В области Лапласа формулы для оп¬
ределения температуры имеют алгебраи¬
ческий вид. Обычно решения нормализу¬
ют ' на значение температуры в конце
адиабатического процесса 7^ = W!{Cpk),после чего анализируют температурный
сигнал как разность решений, полученных
для дефектной и бездефектной пластин
(Rd = 0 для бездефектной пластины):
МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ТК59д0/г fl*sh2[(tt-JC*)1 .sh(a)^h(a)+^*ash(cuc*) sh [a(l - jc*)]}R i?*sh(ax*) sh [a(l - x*)] .sh (a){sh(a)+ i?*ash (ax) sh [a(l -jc*)]}(3.15)где Д0 - образ Лапласа от нормализован¬
ной температуры Д77Г*; R* = RJR; R == ZA; a = Jp*;p* = L2p/a; x* = l/L.Решение (3.15) получено для нагрева
импульсом Дирака пластины с резистив¬
ным дефектом. С помощью формулы(3.15) можно получить решения задач ТК
на передней и задней поверхностях изде¬
лия, включая алгоритм определения тер¬
мического сопротивления дефекта Rd и
глубины его залегания / (см. п. 4.5).Важной частью метода "термическо-
четырехполюсника" является числен¬
ный алгоритм перехода из области изо-
бражений Лапласа F(p) в область ориги¬
налов Дт), в частности, алгоритм Стефеста
(Stehfest’s algorithm):/(т)=М^][\^[/1п(2)/т], (3.16)т Ttгде набор коэффициентов v, зависит от п
(см. [18]).3.1.3. Численные методы. Числен-
йЫе методы становятся все более распро¬
страненными незаменимы в случае слож-
йЬй геометрии исследуемого объекта или
нелинейности теплообмена на его грани-
Пакеты компьютерных программ,
^ёйлизующих различные модификации
чййленных методов решения дифференци¬
альных уравнений (метод конечных раз-
HDCtefi, объемов, элементов и т.п.), все
50fiee популярны на мировом рынке.Ниже рассмотрен метод конечных
рЗЗнЬстей. Исходным пунктом служит
Уравнение нестационарной теплопровод¬
ности в обобщенном виде, которое спра¬ведливо для декартовых, цилиндрических
или сферических координат(3.17)1*1где Lt = д2/dqf - дифференциальныйоператор; N— метрика задачи.При переходе к численной постанов¬
ке вторые пространственные производные
и первые временные производные заме¬
няют соответствующими конечно-раз-
ностными выражениями. Обобщенной
конечно-разностной формой записи урав¬
нения (3.17) являетсяI 7— учРАт= ©(ЛГ)р+1+(1- ®)(АТ)Р,(3.18)где 0схемы;постоянная конечно-разностнойNj; Л = ^ГЛ, (А, - конечно-раз-
i*iностный аналог L,). Производные имеют
следующий вид:д2Т1—Г* т(тм +T,-l~2Ti)idq,2 (Ah)2 '(3.19)ат тр*1-трдхАтЗдесь индекс "Г обозначает узлы
пространственной сетки, а индекс "р" —
временные шаги;ДА- шаг по соответствующей коор¬
динате,Дт - шаг по времени.При 0 = 0 имеет место явная схема
расчета, при © = 0,5 - схема Кранка-
Николъсона, при 0=1- полностью неяв¬
ная схема. Для одномерного уравнения
теплопроводности (2.15) явная схема име¬
ет вид:
601 лава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХДА,7Гv/1
Z./7*71Z71ZлАА.Г АНачальнаяточкаАт<6Н\ВремяКонец расчетао)Конец нагреваб)Рис. 3.2. Пространственная (а) и временная се гка (0) при численном
моделировании задач ТК1-2ада(Аж)2Г/.Явная разностная схема устойчива,если(3.20)Схема (3.20) позволяет рассчитывать
1емпературу /-го узла Г, в момент време¬
ни х+Лх, если известны температуры
соседних узлов в предыдущий момент
времени х.Подобные численные схемы могут
быть легко получены для двух- и трехмер¬
ных случаев Иллюстрация к трехмерному
пространственно-временному численному
моделированию с использованием равно¬
мерных сеток приведена на рис. 3.2.Время расчета таких задач пропор¬
ционально числу узлов пространственно-
временной сетки.Например, расчет 100 временных ша¬
гов пространственной сетки, содержащей4 миллиона узлов, с помощью программы
ThemioCalc-3D (фирма "Инновация”, Рос¬
сия) требует 10 мин машинного времени
при использовании персонального компь¬
ютера с частотой 650 МГц и оперативной
памятью 128 Мбайт.ма Ах>2 (одномерный случай).Условие устойчивости ограничивает
выбор временного шага при фиксирован¬
ных пространственных шагах. При реше¬
нии многомерных задач это может при¬
вести к значительным временам счета из-
за большого числа временных шагов.Явные решения наглядны и легко
программируются, однако на практике
чаще используют неявные схемы, которые
свободны от вышеупомянутого недостатка
|5].Эффективна неявная локально¬
одномерная схема, которую рассчитывают
методом переменных направлений, соглас¬
но которому каждый временнбй шаг раз¬
бивают на три подшага и расчет выпол¬
няют для каждого подшага вдоль каждой
из координат.Пример локально-одномерной схемы
для анализа двухмерной цилиндрической
модели ТК описан в [10J.
МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ТК613.1. Рекомендуемые шаги пространственно-временной сетки
при решении задач ТК с помощью программы ThermoCalc-2DТолщинаУсловияРекомендуемые параметры пространственно-временной сеткиматериала
U ммнагреваА1СтальБетонУглепластик1тА = 0,01 с,
£=105 Вт/м2100 x 200
0,001
(1,6)50 х 300
0,01
(3)50 х 200
0,01
(2,5)50x2000,005(2,6)т*= 100 с,
£М04 Вт/м:50 х 100
0,01
(0,4)50x2000.01(0,5)50 х 200
0,05
(3,1)50x2000.05(3,6)5тА = 0,01 с,
0=1О5 Вт/м2200 х 400
0,01
(0,3)50 х 400
0,01
(2,5)200 x 400
0,01
(5)200 х 400
0.01
(3)т*- 100 с,
Q= 104 Вт/м2100х 100
1(1,6)100x2001(3)100x2001(3)100 х 100
1(0,8)50та = 0,01 с,
Q= 10s Вт/м2100x8000,01(5)50 х 2000 *
0,01
(Ю)100 x 2000*
0.01
(Ю)100x2000*0,01(9)Та= 100 с,
Q= 104 Вт/м250x8001(1,5)50 х 300
5
(2)50 х 300
5(2,5)50 х 800
5(1,5)Примечания: 1. Глубина дефекта / = 10 % L; толщина дефекта 10 % L.Свойства материалов: А1 - А, = 210 Вт/(м К), а - 8,6 * 10‘5 м2/с; сталь - А, = 32 Вт/(м*К),
в-73-104 m*/c;углепластик-Х = 0,64 Вт/(м-К), <7 = 5,2 •10‘7 м*/с; бетон - X т 1,5 Вт/(м*К), а = 7,5 • 10"6 м2/с;воздух (в дефекте) ~Х = 0,07 Вт/(м*К), а = 5,8 * 10‘5 м2/с.Коэффициенты теплоотдачи на обеих поверхностях а= 10 Вт/(м-К).2. Верхняя строка - сетка Rx Z; нижняя строка - шаг по времени, с; в скобках приведена по¬
грешность, %.3. В скобках приведена точность вычислений температуры в дефектной области по сравне¬
нию с соответствующим одномерным решением, полученным с помощью программы
Multilayer-3).* Эти модели требуют весьма малых шагов по координате z.
62Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХКак пространственная, так и вре¬
менная сетки могут быть неравномерны¬
ми. Пространственная сетка должна сгу¬
щаться в районе дефекта, а шаг временной
сетки должен быть меньше времени рез¬
ких изменений температуры, которые
происходят, например, в момент включе¬
ния и выключения импульса нагрева.Однако неравномерные сетки более
трудны для программирования, а их по¬
грешности при решении задач ТК мало
исследованы.3.1.4. Точность численных реше¬
ний. Точность расчетов оценивают отно¬
сительно аналитических решений. Этот
вопрос хорошо изучен в классической
теории теплопередачи для бездефектных
изделий.Обычная рекомендация состоит в
том, что точность численных методов воз¬
растает с уменьшением шагов пространст-
венно-временнбй сетки. Тем не менее, в
области внутренних дефектов проверка
точности численных решений становится
нетривиальной из-за отсутствия соответ¬
ствующих аналитических решений.Точность двух- и трехмерных чис¬
ленных алгоритмов проанализирована на
примере компьютерных программ
ThermoCaIc-2D и ThermoCalc-3D, причем
для проверки численных расчетов исполь¬
зована программа Multilayer-З, реализую¬
щая решение одномерной грехслойной
задачи ТК (все программы фирмы "Инно¬
вация". Россия). Программа ThermoCalc-
2D моделирует дискообразные дефекты в
трехслойном дискообразном изделии (см.
п. 3.3).При неограниченном увеличении
диаметра дефета, двухмерная цилиндри¬
ческая модель ("диск в диске") переходит
в одномерную трехслойную модель, ре¬
шение которой приведено в главе 2. Реко¬
мендуемые значения шагов равномерной
пространственно-временнбй сетки приве¬
дены в табл. 3.1 для нескольких типичных
ситуаций ТК.Величины погрешностей, состав¬
ляющие в большинстве случаев от 0,5 до
5 %, приведены в табл. 3.1 для температур
в дефектной области (см. данные в скоб¬
ках)* Бездефектные температуры вычис¬
ляют с меньшими погрешностями (менее
1 %). Наибольшие погрешности возника¬
ют в ситуациях, когда нетеплопроводное
или значительной толщины тело нагрева¬
ют коротким тепловым импульсом. Такие
ситуации не очень характерны для прак¬
тики, поскольку при этом следует приме¬
нять относительно слабый, но продолжи¬
тельный нагрев.3.1.5. Коммерческие пакеты для
численного решения задач ТК. Про¬
граммы общего применения. Коммерче¬
ские пакеты для численного решения за¬
дач теплопередачи представляют закон¬
ченные графические среды для моделиро¬
вания сложных объектов, управления про¬
цессом расчета и визуализации результа¬
тов. Судя по доступной технической до¬
кументации, многие из имеющихся на
рынке компьютерных программ могут
быть использованы в той или иной степе¬
ни для решения ТК.Пользовательские интерфейсы таких
программ используют концепцию и инст¬
рументы компьютерного проектирования
(CAD-Computer-Aided Design), с помощью
которых возможно моделирование двух- и
трехмерных проблем. Компоненты анали¬
зируемых геометрий можно передавать из
одной программы в другую, используя
стандартные CAD средства. Такие про¬
граммы могут автоматически обменивать¬
ся данными или быть встроенными в мно¬
гоцелевые средства проектирования CAD
и моделирования САМ (Computer-Aided
Modeling), которые применяют, например,
в авиакосмической промышленности. Это
позволяет существенно сократить время
подготовки и предварительной обработки
данных, поскольку разработанные модели
могут впоследствии использоваться раз¬
личными программами.
МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ТК63В коммерческих пакетах используют
приемы построения оптимальных сеточ¬
ных моделей, что важно при анализе
сложных геометрий. Плотность простран-
сгвенно-временнбй сетки может быть уве¬
личена (сгущена) в тех местах или в те
моменты времени, где и когда ожидаются
основные теплофизические феномены,
влияющие на проявление дефектов.Например, при исследовании нагрева
тела значительной толщины с приповерх¬
ностным дефектом нужно иметь частую
сетку в слое над дефектом и редкую под
ним, а шаг по времени должен быть ма¬
лым в период проявления дефекта и отно¬
сительно большим в конце теплового про¬
цесса. Это позволяет снизить нагрузку накомпьютер и уменьшить время расчета без
потери точности.Специальные виды сеточных элемен¬
тов могут применяться для моделирования
поверхностных неровностей; анизотропия
материалов и зависимость ТФХ от време¬
ни также легко моделируются в рамках
современных моделей. Расчетные схемы
могут быть явными и неявными, с ручным
или автоматическим изменением шага по
времени.Обзор ряда коммерческих пакетов
приведен в табл. 3.2. Каждая программа
имеет свои особенности, описание кото¬
рых можно найти на интернетовских сай¬
тах производителей.3.2. Коммерческие пакеты общего применения для теплофизических расчетов4Программа/
Теплофизический модульСайт в ИнтернетеХарактеристика*Abaqus/Standardwww.hks.comAdina-Adina-Twww.world.std.comAlgor/Multiphysicswww.algor.comAnsys/Multiphysicswww.ansys.comCosmosM/HSTARwww.cosmosm.comMarcwww.marc.comMatlab/PDEwww.matlab.comMSC-Nastranwww.macsch.comSamsefiThermalwww.samsef.comМетод конечных элементов.Графический процессор обработки
данных.Регулируемая численная сетка.Двух- и трехмерная геометрия.Нестационарные проблемы.ТФХ зависят от температуры.Анизотропные материалы.Теплообмен конвекцией и излучени¬
ем.Граничные условия изменяются во
времени.Слои разделены резистивной про¬
слойкой.Работа в среде MS Windows и UNIX.Mathematica/
Industrial ThermicsE-mail:info@visualanalysis.com* Ряд данных предоставлен Э. Гринцато (Италия)
Некоторые характеристики присущи не всем программам.
64Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХ33. Специализированные компьютерные программы
фирмы "Инновация" для решения задач ТКПрограммаХарактеристикаMulilayer-3Аналитическое решение задачи нагрева неадиабатической трех¬
слойной пластины прямоугольным импульсомThcrmoCalc-2DЧисленное решение задачи нагрева трехслойного дискообразного
тела с концентрическим дефектом в виде диска (двухмерная цилин¬
дрическая модель).Нагрев прямоугольным и синусоидальным импульсом.Тепловые волны.Адаптивный учет конвекции и излученияThermoCalc-3DЧисленное решение задачи нагрева трехслойного параллепипеда с
9-ю дефектами в форме параллелепипедов.Нагрев прямоугольным и синусоидальным импульсом.Задание произвольной функции нагрева.Все параметры модели являются произвольной функцией времени.Использование пространственной маски нагрева (искусственной и
экспериментальной).Создание последовательности ИК-изображенийОписанные программы предоставля¬
ют достаточно высокие требования к
мощности процессора используемого
компьютера, объему оперативной памяти
и объему жесткого диска. Лучшие резуль¬
таты (на момент написания данного спра¬
вочника) получают в среде UNIX, хотя
применение стандартных персональных
компьютеров (в среде Windows) также
возможно. Стоимость лицензии на ис¬
пользование коммерческих программ от¬
носительно невысока для университетов,
но может быть выше более чем на порядок
для промышленности.Специализированные программы
для решения задач ТК разработаны в
Управлении по аэронавтике США NASA,Управлении по аэронавтике Франции
ONERA, Университете Уэйна (США), Фе¬
деральном Институте по исследованиям
материалов ВАМ (Германия), Институте
холодильной техники ITEF (Италия) и
ряде других организаций. На коммерче¬
ском уровне выполнены описанные в
табл. 3.3 программы фирмы "Инновация"
(Россия).3.2. ОДНОМЕРНЫЕ МОДЕЛИ ТК3.2.1. Температурный сигнал в од¬
номерной модели. Использование этой
модели для расчета сигналов от внутрен¬
них дефектов предполагает, что теплопе¬
редача в изделии осуществляется незави¬
ОДНОМЕРНЫЕ МОДЕЛИ ТК65симо в дефектной и бездефектной облас¬
тях. Эффектами поперечной диффузии
тепла при этом пренебрегают, вследствие
чего пространственный профиль АТ в лю¬
бой момент времени имеет вид прямо¬
угольной ступеньки (рис. 3.3).В одномерной модели температур¬
ный сигнал над дефектом зависит только
от времени и пространственной координа¬
ты г, направленной вглубь изделияАГ(г,т) = Г</(г,т)-7^(г,т). (3.21)В рамках одномерной модели темпе¬
ратурный сигнал АТ рассчитывают в виде
разности двух решений, полученных соот¬
ветственно для дефектной и бездефектной
зон. Такой подход позволяет оценить за¬
висимость дифференциального темпера¬
турного сигнала от глубины залегания и
толщины дефекта, а также от ТФХ изде¬
лия и дефекта.*** Границы применимости одномерных
моделей, в которых влияние диффузии
тепла на величину АТ остается незна¬
чительным, рассмотрены ниже. На прак¬
тике "поперечные" (трехмерные) тепловые
потоки на краях дефекта сглаживают
форму сигнала АТ и при определенных
размерах дефекта приводят к существен¬
ному снижению его амплитуды (см.
штрихпунктирную линию на рис. 3.3).3.2.2. Одномерная модель ТК с аб¬
солютно нетеплопроводным дефектом.
Классическое решение для нагрева не¬
адиабатической пластины. Простейшая
одномерная модель дефекта при односто¬
роннем ТК изображена на рис. 3.4, будучи
децшнейшим упрощением модели на
рис. 3.3. Дефект является абсолютным
?<еплоизолятором, на его границе выпол¬
няется условие: дТ/дг = 0. В дефектной
зоне в процессе теплопроводности участ¬вует только слой материала толщиной /
(глубина залегания дефекта). Достовер¬
ность такой модели возрастает с ростом
толщины дефекта и уменьшением его теп¬
лопроводности по сравнению с основным
материалом. Такая модель лучше описы¬
вает задачу определения толщины пласти¬
ны (контроль коррозии задней поверхно¬
сти), описанную в п. 2.7.3, нежели задачу
обнаружения скрытого дефекта. Модель
на рис. 3.4, в отличие от общей модели на
рис. 3.3, малопригодна для анализа дву¬
сторонней процедуры ТК, в которой тем¬
пературный сигнал АТ принимают равным
температуре бездефектной поверхности
Тп<ь поскольку под дефектом избыточная
температура считается равной нулю. Ниже
рассмотрена процедура только одно¬
стороннего ТК.Пусть пластина, изображенная на
рис. 3.4, нагревается тепловым потоком в
виде прямоугольного импульса длитель¬
ностью тд. Постановка задачи для безде¬
фектной области неадиабатической пла¬
стины имеет вид:Г(г,т = 0) = 0; (3.23)
-X8Т^_~°) = g-aFT(z = о); (3.24)OZ-X дТ^1~ = аRT(z = b), (3.25)OZгде (3.22) — одномерное дифференциаль¬
ное уравнение теплопроводности, (3.23) -
начальное условие, (3.24) и (3.25) -
граничные условия на поверхностях пла¬
стины.Согласно данной модели перед нача¬
лом нагрева пластина имеет температуру
окружающей среды, решение будет полу¬
чено для избыточной температуры.?3-607
66Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХРис. 3.3. Обобщенная одномерная модель ТКВ дефектной области dT\z = l)ldz = О,
для получения однородного решения сле¬
дует принять адиабатические граничные
условия на задней поверхности, т.е. а* = О,
тогда модель нагрева становится однород¬
ной в дефектной и бездефектной областях
соответственно с параметром толщины
пластины /или£.Модель (3.22-3.25) описывает также
нагрев (или охлаждение) пластины в среде
с температурой 7^. Условие (3.24) для
нагрева в среде можно записать в виде
формулы-xE^). = aF[T<mb-T{z = Q)l (3.26)которая идентична условию (3.24), если
принять Q = aF Tamb (при этом темпера¬
туру также отсчитывают от начальной
температуры пластины). В случае охлаж¬
дения пластины следует изменить знак
выражения в правой части (3.26).В классической теории теплопровод¬
ности рассматривают задачу нагрева обе¬их поверхностей пластины толщиной 2L в
среде с температурой 7^, причем в силу
симметрии в центре пластины производ¬
ная от температуры по координате равна
нулю [5]. Такая задача идентична модели
(3.22-3.25). Для передней поверхности ее
решение имеет вид (см. табл. 2.4):TF2Bi-—=i-Y-в £-Bi(Bi+l)+n2где Q'= Ql а ицд- положительные корнихарактеристического уравнения: цл tg цл =
= Bi. Некоторые значения цл приведены в
табл. 3.4.Рис. 3.4. Одномерная модель абсолютно
нетеплопроводного дефекта при
одностороннем ТК
ОДНОМЕРНЫЕ МОДЕЛИ ТК673.4. Корни характеристического уравнения: = Bi [5]BiHiМ2Из00,00003,14166,28320,0010,03163,14196,28330,010,09983,14486,28480,10,31113,17316,29910,20,43283,20396,31480,30,52183,23416,33050,40,59323,26366,34610,50,65333,29236,3616При т -> оо rF -> 0/aF. При нагре¬
ве в среде с температурой Т^ь ->Q/aF
температура поверхности пластины стре¬
мится к Тать (при адиабатической задней
поверхности).С уменьшением времени процесса
число необходимых корней и членов ряда
возрастает. Для изделий, удовлетворяю¬
щих условию Bi £ 0,1, рекомендовано ос¬
тавлять [5] только первый член рядащ = л[Ш. Тогда в бездефектной области
решение имеет вид:X) = % - COS 4me-BlFo) ==—(1-cos JbTe XL ).
a(3.28)угольным импульсом (см. табл. 2.4):2 ^ 1 „-nWFo,F _ QL
Tnd~~F°h +—Z—IP* **-l^J,(3.29)которое при т » тА совпадает с решени¬
ем для адиабатического нагрева импуль¬
сом Дирака (см. табл. 2.4):TF _WaTnd~Hl + 2^e-”VFon-1(3.30)Оценка температурного сигнала от
дефекта при импульсном ТК адиабати¬
ческой пластины. Решение (3.28) пока¬
зывает, что при малых временах (порядка
0,01 ... 0,1 с) один член ряда не обеспечи¬
вает требуемой точности, а расчет со мно¬
гими членами ряда сопряжен с определен¬
ными вычислительными трудностями. Для
часто встречающегося в ТК случая Bi й
£0,1 целесообразно использовать адиаба¬
тическое решение для нагрева прямо-Решение (3.30) будет использовано
ниже для того, чтобы проиллюстрировать
ограниченность простейшей одномерной
модели (рис. 3.4).В дефектной области толщину пла¬
стины L следует заменить глубиной зале¬
гания дефекта /:TF_WaLт“ -ЩW1 + 2^-n2n2FoL2/l2п=\. (3.31)Следует заметить, что энергетически
импульс Дирака и прямоугольный им¬
пульс связаны соотношением W = Qxh,Некоторые особенности решений (3.30,
3.31) при определении толщины пластины
68Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХАТWa/KL//7=10Qw, =АТndУЫ10а)б)Рис. 3.5. Изменение температурного сигнала (а) и текущего контраста (б) над
дефектом в одномерной адиабатической модели ТК согласно формулам (ЗЛО) и (ЗЛ)(оценке коррозионного износа) рассмот- контраста Стп = (г/ - T[d)/ Tfd во време-рены в п. 2.7.3. , * » ттг тт ^ - ни для дефекта на глубине /. При
На рис. 3.5 показано развитие темпе- Y J rATратурного сигналаWa/XLx(Fo)-» oo оба параметра стремятся к
и текущего величине L//-1.Рис. 3.6. Проверка одномерной адиабатической модели для воздушного дефекта
радиусом 5 мм и толщиной 0,2 мм, расположенного в углепластике и стали AISI1010на глубине 1 мм
ОДНОМЕРНЫЕ МОДЕЛИ ТК69Hitт Воздух v т тМ V'Щ \ Им,14,: i IS5-' %т^~¥ZУ Sб;Рис. 3.7. Интерференция тепловых волн в покрытии (в) и дефекте (б)Для иллюстрации того, насколько
данная модель отражает реальные ситуа¬
ции ТК, на рис. 3.6 показано изменение
текущего контраста Сип во времени над
дискообразным воздушным дефектом ра¬
диусом гd = 5 мм и толщиной d = 0,2 мм,
который расположен на глубине 1 мм в
пластине толщиной 5 мм, выполненной из
различных материалов. Нагрев произво¬
дится импульсом длительностью т* = 0,01 с.
Истинные значения контраста рассчитаны
с помощью программы ThermoCalc-2D.Согласно одномерной модели макси¬
мальный контраст для случая на рис. 3.6
должен быть равен С™п = /,//-1 = 4. На¬
иболее близкое значение контраста созда¬
ется воздушным дефектом в стали. Для
углепластика оценка Сип становится не¬
реалистичной. Достоверность простей¬
шей одномерной модели возрастает с уве¬
личением толщины дефекта или тепло¬
проводности основного материала. Следу¬
ет отметить, что данная модель требует
продолжительного наблюдения, поэтому
ее практическое значение невелико.3.2.3. Гармонические тепловые
волны. Интерференция в адиабатиче¬
ском тонком слое и дефекте. В обоб¬
щающей работе Д. Альмонда и П. Пателя
[24] проанализировано поведение тепло¬
вых волн в тонких слоях (дефектах), где
наличие интерференции между падающи¬
ми и отраженными волнами существенно
изменяет амплитуду ДГ(т) по сравнениюсо случаем отражения от границы полу-
бесконечной среды (рис. 3.7).Пусть покрытие толщиной Lc распо¬
ложено на подложке, которую рассматри¬
вают как полуограниченное тело, т.е. тол¬
щина подложки значительно больше дли¬
ны тепловой диффузии (рис. 3.7, а). В пер¬
вом приближении можно считать, что вся
энергия нагрева выделяется на поверхно¬
сти подложки, хотя в общем случае
нагрева оптическим излучением следует
учитывать объемное поглощение энергии
в покрытии, затухающее с ростом глубины.Температура на поверхности покры¬
тия определяется суммой падающих и от¬
раженных тепловых волн, которые рас¬
пространяются в покрытии, отражаясь от
границ покрытие-подложка и покрытие-
воздух (рис. 3.7, а). В теории тепловых
волн выражение для поверхностной тем¬
пературы записывают в виде:T(z = 6) = АТС.l+Rc-se-2<хг Lc\-Rc-sRc-a е-2а< Lc(3.32)где А - амплитуда тепловой волны; Тс_а -
коэффициент пропускания границы по¬
крытие-воздух; Rc_s и Rc_a - коэффици¬
енты отражения границы соответственно
покрытие-подложка и покрытие-воздух;
индекс с относится к покрытию. На гра¬
нице покрытие-воздух коэффициент от¬
ражения Rc_a »1 и коэффициент пропус-
70Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХАмплитудаа)Фаза, градб)Рис. 3.8. Амплитуда (в) и фаза (в) тепловых волн на поверхности покрытия для
различных значений коэффициента отражения на границе покрытие-подложка
(подложка - полуограничённое тело; Rc* = 1; TC^ = 2;L = Lc)
ОДНОМЕРНЫЕ МОДЕЛИ ТК711 10 100 1000 d, мкмРис. 3.9. Коэффициент отражения тепловых волн различной частоты от
тонких воздушных в дюралюминии и углепластике (см. ТФХ материалов в табл. 2.2)кания Тс_а * 2, поскольку 6-0 из-за низ¬
кой тепловой инерции воздуха. Для этого
практически важного случая на рис. 3.8
изображены нормализованная амплитуда
(модуль) и фаза поверхностной темпера¬
турной волны Tmrm(z = 0), построенные
согласно следующим формулам:Т (z = o) = *+ е — .амплитуда (модуль) == V[Re{r«>™.}]2 +[1т{Глот}]2 ; (3.33)фаза= arctg ^'погтRe Г,где Re and 1т обозначают соответственно
действительную и мнимую части ком¬
плексного числа.Графики (рис. 3.8) показывают, что
интерференция тепловых волн существен¬
на при толщине покрытия менее одной
длины диффузии. Особыми точками яв¬
ляются точки пересечения кривых с нуле¬
вой осью: для амплитуд при LJ\i = 0,785, а
для фаз при LJ\x = 1,571. Этот факт может
служить аргументом в пользу более глу¬
бокого проникновения фазы волны по
сравнению с ее амплитудой, что делает
фазовый анализ более предпочтительным.Данный феномен будет рассмотрен ниже.Формула (3.32) дает возможность оп¬
ределения ТФХ или толщины покрытия
по результатам измерения поверхностной
температуры. В силу комплексного харак¬
тера ас температура также является ком¬
плексной функцией; температура в любой
точке тела не совпадает по фазе с волной
нагрева.Внутри дефекта, например, трещины
или расслоения, происходит интерферен¬
ция тепловых волн, поэтому коэффициент
отражения тепловой волны от дефекта
становится зависимым от частоты.Эффективный коэффициент отраже¬
ния тонкого инородного включения
(рис. 3.7, б)г Г, +T2e~%°lLl
l + r,+r2e_2°jtj ’(3.34)гдеГ _ l~^2i -г -IzbL-h
М — 1 , » * 2 ““ 1 , » 'Dt+Vt ““l + &2i I + 632_ ^i+l °i+1
X, а#Здесь индексы 1, 2, 3 относятся к слоям
изделия (см. рис. 3.7, б); Г\ и Гг - коэффи¬
циенты отражения тепловой волны для
границ слоев 1-2 и 2-3; La - толщина 2-
го слоя. Коэффициент Г зависит от вида
материалов, частоты и толщины дефекта.
72Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХНа рис. 3.9 изображены зависимости
коэффициента отражения тепловых волн
от воздушных дефектов в дюралюминии и
углепластике на двух частотах: 1 и 10 Гц,
рассчитанные согласно (3.34). Величина Г
увеличивается с ростом частоты, тепло¬
проводности материала и толщины дефек¬
та. Следует отметить наличие насыщения,
означающее, что толщина дефекта, начи¬
ная с некоторого значения, перестает вли¬
ять на коэффициент отражения. Анало¬
гичный вывод справедлив для зависимо¬
сти сигнала АТ от толщины дефекта в
процедурах импульсного ТК (см. п. 3.8.3).Формула (3.34) справедлива для ем¬
костных дефектов, образованных слоями с
выраженными границами. Коэффициент
отражения тепловой волны от резистивно¬
го дефектаr _ l-b2i + RdX2G21+621+*„b2a2’где в отличие от (3.34) оба индекса 1 и 2
относятся соответственно к слоям основ¬
ного материала, разделенным слоем с теп¬
ловым сопротивлением Rd.Сравнение (3.34) и (3.35) для дефек¬
тов в дюралюминии и углепластике пока¬
зало практически идеальное совпадение
значений коэффициентов отражения (дан¬
ные рис. 3.9). Таким образом, тонкие газо¬
образные дефекты в твердых материалах
могут моделироваться контактным сопро¬
тивлением Rd, что упрощает соответст¬
вующие аналитические расчеты.Неадиабатическая пластина пере¬
менной толщины и простейшая оценка
сигнала от дефектов. Решения для нагре¬
ва пластины гармоническим тепловым
потоком с неадиабатическими граничны¬
ми условиями приведены в табл. 2.5. Сучетом равенства V±7-±i/5s(i±y) ДЛЯпередней поверхности пластины это ре¬
шение можно записать в следующем яв¬
ном виде:л-< ,= )ш; 'х¥=-W(3.36)где В = сй2(и) cos2(u)+sh2(u) sin2(«);
S = ch(u) sh(u) - cos (и) sin(u);V = sh2(u) cos2(i/)+ch2(u) sin2(i/);
W = ch(u) sh(u)+cos(u) sin(u);r.Pdи =Bi V 2ВГПри L-> оо решение (3.36) перехо¬
дит в решение для полуограниченного
тела. Следует заметить, что в решениях
табл. 2.5 отсутствуют постоянная состав¬
ляющая нагрева, а также затухающий со
временем член, связанный с влиянием на¬
чальных условий, которые имеют место в
момент включения гармонического источ¬
ника.Графики на рис. 3.10 иллюстрируют,
как отдельные тепловые волны взаимо¬
действуют с пластинами из углепластика
различной толщины. Низкочастотные
волны проникают глубже в объект кон¬
троля и создают более высокую поверхно¬
стную температуру. В таком аспекте нель¬
зя говорить об оптимальной частоте на¬
грева, по крайней мере, в бездефектной
области. Фактически максимальная тем¬
пература нагрева обеспечивается волной
нулевой частоты, т.е. непрерывный посто¬
янный нагрев должен быть оптимальным.Оба графика на рис. 3.10 обнаружи¬
вают резкие изменения температуры и
фазы в области определенных толщин (в
предыдущем параграфе это трактовалось
как результат интерференции в слое мате¬
риала). Представляют интерес особые
точки, соответствующие минимумам фун¬
кций A(L) и ¥(/,), что предположительносвязано с интерференцией тепловых волн.Согласно рис. 3.8 можно принять,
что фаза тепловой волны распространяет¬
ся до глубин приблизительно вдвое боль¬
ших, чем ее амплитуда. Ниже этот фено¬
ОДНОМЕРНЫЕ МОДЕЛИ ТК73а)б)Рис. ЗЛО. Амплитуда (а) и фаза (б) тепловой волны в зависимости
от толщины пластины из углепластикамен рассмотрен на примере углепластика
с учетом данных рис. ЗЛО. Максимальную
глубину проникновения фазы L^e иамплитуды предложено оцениватьпо минимумам функций A(L) и 'P(L),которые до определенной степени соот¬
ветствуют переходу к условиям полуогра-
ниченного тела. Из рис. ЗЛО следует, что
СГ/Iff *1,5 Для / = 0,2 Гц иmSril£S!"W для/= 1 Гц. В обоб-
щенном виде сравнение глубин проникно¬
вения амплитуды и фазы тепловых волн
будет приведено в п. 5.4 с использованием
Фурье-анализа.Если принять модель идеально отра¬
жающего (полностью теплоизолированно¬
го) одномерного дефекта (п. 3.2.2, модель
рис. 3.4), то одно и то же решение (3.36)
можно использовать для расчета нагрева
74Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХ3.5. Сравнение одномерной и трехмерной моделей тепловых волн при
обнаружении дискообразного дефекта диаметром 20 см и толщиной 10 смв почве на глубине 5 смПараметры поверхностной температурной волны1У!ОДСЛЬ 114.АмплитудаФаза, радОдномерная модельБездефектная зона0,2560,603Дефектная зона0,4490,988Трехмерная модельБездефектная зона0,2540,590*Дефектная зона (дефект - воздух)0,3490,654*Дефектная зона (дефект - тринит¬0,3220,654*ротолуол)* С точностью до шага расчета, равного 0,065 рад (900 с).Примечание, (см. ТФХ материалов в табл. 2.2; нагрев типа Q{x)-Qmcos(—т);
х = 24 ч; 0т=5ОО Вт/м2; aF=10 Вт/(м2К).бездефектной и дефектной зон, принимая,
что в зоне дефекта L = /.Пусть почва, в которой на глубине5 см находится дискообразный дефект
диаметром 20 см и толщиной 10 см, на¬
гревается солнечным излучением, изменя¬ющимся по гармоническому закону (обна¬
ружение заглубленных мин). В табл. 3.5
приведены амплитуда и фаза поверхност¬
ных температурных волн над дефектом и
вдали от него, рассчитанные по формулам(3.36). Для сравнения даны результатыРис. 3.11. Сравнение одномерной и трехмерной моделей тепловых волн
при обнаружении воздушной полости в почве на глубине 5 см
ОДНОМЕРНЫЕ МОДЕЛИ ТК75расчета в реальной геометрии. В одномер¬
ной модели наличие дефекта существенно
изменяет амплитуду и фазу температур¬
ной волны, в то время как над реальными
дефектами сдвиг фаз незначителен.На рис. 3.11 приведены три периода
температурного сигнала ДГ(т) для обеих
моделей (влияние начальных условий в
трехмерной модели исчезает уже в тече¬
ние 1-го периода). Замена воздуха в де¬
фекте на тринитротолуол снижает макси¬
мальный температурный сигнал с
АТт = 4,5 °С до АТт = 3,8 °С. В реальных
почвах с меньшей теплопроводностью
величина сигнала может быть еще ниже.3.2.4. Импульсные тепловые вол¬
ны. Адиабатическое покрытие на под¬
ложке. Пусть покрытие толщиной L нане¬
сено на подложку, которую можно рас¬
сматривать как полубесконечное тело.
При адиабатических граничных условиях
температура на поверхности покрытия
описывается следующими соотношениями
[26]:при нагреве импульсом Дирака с
энергией W:WTF(х)шec-JmЛ-1+ 2^(-rYF(z)-2^ х;Л=1п-\(3.38)(3.37)при нагреве прямоугольным импуль¬
сом мощностью Q:Тр(т)=-Щ=[/z-Jz-zh +
есЫппри нагреве импульсом в виде пря¬
моугольной ступеньки мощностью Q:где т* =п1?/а( - характерное времятеплопередачи (heat transit time), причем
индекс V' определяет покрытие; ес - теп¬
ловая инерция покрытия; коэффициент
отражения Г = (ел - ec)/(es + ес) определен
для границы раздела покрытия с и под¬
ложки s и в отличие от (3.35) является
действительной величиной.На границе раздела двух сред им¬
пульсные тепловые волны отражаются
подобно гармоническим тепловым волнам
или оптическим волнам. Параметр Г явля¬
ется индикатором характера теплового
контакта между двумя материалами. Ну¬
левое значение Г соответствует идеально¬
му контакту двух идентичных материалов,
случай Г > 0 соответствует более тепло¬
проводной подложке, Г < 0 обозначает
подложку, менее теплопроводную, чем
покрытие. Г рафическая интерп ретация
этих случаев показана на рис. 3.12 для
нагрева в виде прямоугольной ступеньки.В начальный период двухслойная
структура ведет себя как полуограничен-
ное тело, выполненное из материала по¬
крытия, и соответствующая зависимостьтемпературы Т от л/х имеет вид прямой
линии. В течение этого периода граница
раздела двух сред не проявляется на на¬
греваемой поверхности. В момент време¬
ни, называемый характерным временем
теплопередачи, температура поверхности
начинает отклоняться от той, которая бы
имела место при отсутствии границы раз¬
дела двух сред; при этом знак отклонения
истинной температуры от ожидаемой за¬
висит от знака параметра Г.Описанный подход использован в
методе ТК, названном ИК-радиометрией с
временным разрешением (time-resolved 1R
76Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХТемпература Т (т)гтРис. 3.12. Влияние ТФЧ подложки на поведение поверхностной температуры
(нагрев полубесконечного тела равномерным тепловым потоком
в виде ступенчатой функции)radiometry, TRIR) [26]. Нагрев изделия
производят равномерно-распределенным
лазерным излучением; его спектральный
диапазон находится вне диапазона чувст¬
вительности применяемой ИК-системы,
что позволяет отслеживать температуру
передней поверхности на стадии нагрева
без влияния отраженного излучения.Трехслойная неадиабатическая
пластина с емкостным дефектом. Одно¬
мерная модель изделия с емкостным де¬
фектом дана в п. 2.7.6 в виде трехслойной
пластины, каждый ее слой описывается
набором { С, р Д }. Дифференциальныйтемпературный сигнал в соответствующей
модели ТК определяется формулой (3.21).
Аналитическое решение этой задачи явля¬
ется громоздким и требует привлечения
компьютерной техники (программа Multu-
layer-З). Основное достоинство решений
такого вида состоит в возможности анали¬
тической проверки точности расчетов де¬
фектов, вытянутых в направлении, парал¬
лельном нагреваемой поверхности.Двухслойная адиабатическая пла¬
стина с резистивным дефектом и изме¬рение "кажущейся" тепловой инерции.
Простое решение имеем в случае, когда
две адиабатические пластины разделены
прослойкой с тепловым сопротивлением
Rd=dlXd. Соответствующие формулы,
полученные группой Д. Балажа с сотруд¬
никами из Управления по аэронавтике
Франции [6,21], приведены в п. 2.7.6.Решение в случае нагрева импульсом
Дирака оказалось эффективным для пря¬
мых и обратных задач импульсного ТК, в
частности, с использованием так называе¬
мого метода "кажущейся", т.е. наблюдае¬
мой в эксперименте, тепловой инерции
объекта контроля (apparent efifusivity
method) [6]. Этот метод для определения
параметров скрытых дефектов (тепловой
дефектометрии) см. п. 4.1. Метод можно
проиллюстрировать на примере ТК изде¬
лия, состоящего из Ni-Cr покрытия тол¬
щиной 100 мкм и стальной подложки
толщиной 3 мм. Коэффициенты теплопро¬
водности: покрытия X =14 Вт/(мК), под¬
ложки X =70 Вт/(мК). Плотность и тепло¬
емкость одинаковы для обоих материалов:
р =* 7800 кг/м3; С = 500 Дж/(кг’К).
ОДНОМЕРНЫЕ МОДЕЛИ ТК77Идея метода состоит в том, что теп¬
ловую инерцию полуограниченного тела,
подвергнутого импульсному тепловому
воздействию, в любой момент времени
можно определить по формуле (2.35):в = W/[Г(т*)л/ят*]. Определение абсо¬
лютного значения е требует измерения
поглощенной образцом энергии. Авторы
предложили применять этот метод для
пластины в течение времени Fo < 0,1,
когда поведение пластины аналогично
поведению полуограниченного тела. Тем¬
пература передней поверхности адиабати¬
ческой пластины в конце нагрева
7^=07(CpL), поэтому тепловую инер¬
цию предложено определять по формулее=CpL/[T(T*)yjnx*], (3.40)где C,p,L считаем известными.Поскольку в эксперименте нагрев
производили импульсом длительностью
40 мкс, возможно применить формулы для
нагрева импульсом Дирака и по формуле
(3.40) рассчитать изменение кажущейся
тепловой инерции во времени для трех
случаев:1) стальной подложки без покрытия;2) покрытия Ni-Cr на стальной под¬
ложке при идеальном контакте между ни¬
ми;3) наличии воздушного расслоения
толщиной 1 мкм между покрытием и под¬
ложкой (R = 0,43). Для стальной подложки
без покрытия (рис. 3.13, кривая 1) значе¬
ние е !es = 1 в течение 100 мс, после чегоначинает сказываться конечная толщина
изделия. При идеальном контакте под¬
ложки и покрытия в течение 1 мс (кривая2) величина тепловой инерции изделия
определяется только покрытием: е!es == ec/es = ^)XC/XS = 0,45. С 10 мс и вплотьдо 100 мс происходит сближение кривых 1
и 2, после чего структура покрытие-
подложка начинает вести себя как сталь¬
ная подложка без покрытия. Наличие де-Рис. 3.13. Изменение кажущейся
тепловой инерции во времени при
импульсном нагреве покрытия Ni-Cr
толщиной 100 мкм на подложке из стали
толщиной 3 мм:1 — подложка из стали; 2 - покрытие Ni-Cr
на подложке при идеальном контакте слоев;3 - воздушный дефект между покрытием
и подложкой толщиной 1 мкмфекта приводит к почти пятикратному
увеличению избыточной температуры в
момент времени около 10 мс, что соответ¬
ствует приблизительно двукратному сни¬
жению кажущейся тепловой инерции
(кривая 3). Наличие очевидного минимума
в функции е(т) является отражением на¬
личия максимума температурного перепа¬
да АГ(т), что позволило предложить ре¬
шение соответствующей обратной задачи
ТК (см. п. 4.1) [6].3.2.5. Границы применимости реа¬
листичных одномерных моделей ТК.
Под реалистичными одномерными моде¬
лями понимают такие, которые учитывают
все значимые параметры ТК за исключе¬
нием диффузии тепла на границах дефек¬
тов в поперечном направлении. Единст¬
венными параметрами, ограничивающими
применение таких моделей, описываемых
формулами (2.41, 2.49, 2.50,2.52), являют¬
ся поперечные размеры дефекта hxxhy вдекартовых координатах или радиус де¬
фекта Г4 в цилиндрических координатах.
Для иллюстраций эффекта растекания те-
78Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХ3.6. Приблизительные критические значения отношения rjl, обозначающие
переход от двухмерной к одномерной модели ТК
(соответствуют 90 % максимально возможного сигнала)Одномерная декартова модельQП Бездефектная зонаДвухмерная цилиндрическая модельГлубина дефекта/Толщина дефектаКритическое значение rd/lАлюминийX = 210 Вт/(м • К), а = 8,6 • 10"5 м2/с, L = 2 мм, Q = 105 Вт/м2, х н = 0,01 с10 %L (0,2 мм)10 % L (0,2 мм)1530% 1(0,6 мм)1730 % L (0,6 мм)10 % L (0,2 мм)730 % L (0,6 мм)7УглепластикX = 0,64 Вт/(м • К), а = 5,2 • 10’7 м^/с, L = 5 мм, Q = 105 Вт/м2, х* = 0,01 с10 %L (0,5 мм)10 %L (0,5 мм)530% 1(1,5 мм)730% 1(1,5 мм)10 %L (0,5 мм)330 %L (1,5 мм)5ПочваX = 1,1 Вт/(м • К), а - 7,5 • 10‘7 м2/с, L = 20 см, Q = 103 Вт/м2, т*=12ч10% 1,(2 см)10% 1(2 см)830 % L (6 см)930 % L (6 см)10% 1(2 см)430 % L (6 см)4
ДВУХМЕРНЫЕ МОДЕЛИ ТК79пла вокруг скрытых дефектов используем
двухмерную цилиндрическую модель.Пусть изделие содержит дискообраз¬
ный дефект радиусом rd на глубине /. Из¬
делие нагревают тепловым импульсом
длительностью тл, причем энергия нагре¬
ва равномерно распределена по передней
поверхности изделия. Для любой глубины
залегания двухмерный температурный
сигнал ДГ(//) возрастает с ростом радиуса
дефекта вплоть до определенного пре¬
дельного значения дг(/), которое соот¬
ветствует решению соответствующей од¬
номерной задачи ТК. Это значение явля¬
ется максимально возможным для кон¬
кретного дефекта на данной глубине в
конкретном изделии.Критические значения отношения
rdll приведены в табл. 3.6 для дефектов вразличных материалах (рассмотрены слу¬
чаи, когда толщина и глубина залегания
дефектов составляют 10 и 30 % полной
толщины изделия L). Значения rdll соот¬
ветствуют отношению ДТ^/ДТ*7* = 0,9,
т.е. ситуации, когда, с ростом диаметра
дефекта сигнал над дефектом достигает
90 % амплитуды максимально возможного
(одномерного) сигнала.Данные табл. 3.6 показывают, что
критические значения rd!l существеннопревосходят общепринятое в литературе
условие выявляемости внутренних дефек¬
тов: rj/l'Zl. На практике это означает,что для большинства реальных дефектов
одномерные модели приводят к недопус¬
тимо большим значениям АТ.33. ДВУХМЕРНЫЕ МОДЕЛИ ТК3.3.1. Однослойная пластина с де¬
фектом типа "канал" (декартова систе¬
ма координат). Пусть изделие содержит
дефект типа нарушения сплошности, вы¬
тянутый в направлении одной из декарто¬
вых координат (у). Это означает* что раз¬
мер дефекта dy на данной глубине отвеча¬
ет условиям перехода многомерной задачив одномерную (табл. 3.6). Таким образом,
дефект можно представить протяженным
каналом (рис, 3.14, а)\ задача из трехмер¬
ной становится двухмерной.При равномерном поверхностном на¬
греве изделия с одиночным дефектом, в
силу симметрии задачи по координате х9
можно использовать только половину де¬
фекта, причем на границе {х = 0,z = 0 ... L)
будет иметь место условие симметрии
077ас = 0 (рис. 3.14, б).Узкие подповерхностные трещины,
расположенные перпендикулярно перед¬
ней поверхности, практически не обнару¬
живаются при равномерном нагреве (по¬
верхностные дефекты могут быть видны
на мониторе тепловизора из-за чисто ра¬
диационного феномена: трещина выступа¬
ет в качестве имитатора "черного тела" с
повышенным коэффициентом излучения).
Однако такие дефекты можно выявить,
если в изделии создан тепловой поток,
распространяющийся параллельно перед¬
ней поверхности. Для этого изделие сле¬
дует нагревать на поверхности в локаль¬
ной зоне размером Sf9 которая можетбыть неподвижной или перемещающейся
со скоростью V (рис. 3.14, в). В ряде слу¬
чаев можно нагревать торец изделия и
отслеживать динамику распространения
температурной волны (рис. 3.14, г).Двухмерные модели (рис. 3.14, б-г)
имеют общую математическую постанов¬
ку. Более общий случай трехмерной де¬
картовой модели ТК рассмотрим в п. 3.5.3.3.2. Трехслойная анизотропная
неадиабатическая пластина с емкост¬
ным дефектом (цилиндрическая сис¬
тема координат). Эффективный компро¬
мисс между необходимостью анализиро¬
вать дефекты конечных размеров по всем
трем координатам и громоздкостью чис¬
ленных расчетов представляет модель
дискообразного дефекта в многослойной
дискообразной пластине, реализованная в
цилиндрической системе координат.
Вследствие азимутальной симметрии в
данной модели отсутствует зависимость
80Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХб)в)Рис. 3.14. Двухмерная декартова модель ТКтемпературы от угла <р, дефект моделиру¬
ют диском радиуса г& расположенным в
центральном слое толщиной rf = /2 . Глу¬
бина залегания дефекта равна толщине
первого слоя / = /j. Неадиабатическиеграничные условия имеют место на пе¬
редней и задней поверхностях; боковая
поверхность теплоизолирована.Коэффициент теплопроводности за¬
висит от координат гиг (анизотропная
пластина). В данной модели пространст¬
венная функция теплового потока нагрева
описывается азимутально-симметричной
функцией, тогда как временная функция
нагрева может быть произвольной.Математическая постановка задачи
нагрева трехслойной пластины описыва-соотношениямиется следующими
(рис. 3.15):1 дТ, д2Т, 1 дТ, д2Т, .о, дт дг~ г дг &2/ = 1 ... 3; 0йгйЛ;
0<,z<L\ т>071(г,г,т) = 0;(3.41)(3.42)OZ А[ Kj(3.43)дГ^^1,^ = ~т^ = ь,х)1 (3.44)uZ КIdT,(z = R,x) _Q_ (3&
ДВУХМЕРНЫЕ МОДЕЛИ ТК81\ ■■ _П_ИЛ" АДАт V Слой 1Слой 3Рис. 3.15. Двухмерная
цилиндрическая модель ТКл dTt(z9x) , 57;(г,х)1 —1 ■■■-■ = X——; на границах ме-
' dv ' dvжду слоями, а также между слоями и де¬
фектами7,<(z,x) = 7,/(z,x). (3.46)Уравнение (3.41) есть классическое
двухмерное уравнение теплопроводности
параболического типа, записанное в ци¬
линдрических координатах; уравнение(3.42) обозначает начальное условие;(3.43) описывает граничное условие на
передней поверхности (нагрев и охлажде¬
ние); (3.44) - граничное условие на задней
поверхности (охлаждение по закону Нью¬
тона); (3.45) соответствует теплоизоляции
боковой поверхности изделия; (3.46) усло¬
вия неразрывности тепловых потоков и
температур на границах внутренних об¬
ластей (слоев и дефектов); все обозначе¬
ния соответствуют принятым ранее.При моделировании анизотропных
материалов считают, что только коэффи¬
циент теплопроводности X зависит от ко¬
ординат, а теплоемкость и плотность яв¬
ляются константами. Анизотропная тем¬
пературопроводность at =Х,/(Ср).Двухмерная цилиндрическая модель
(рис. 3.15) реализована в программе Ther-
moCalc-2D, предназначенной для анализа
и оптимизации задач ТК. Временная зави¬
симость Q(x) моделирует три типа нагре¬
ва: 1) прямоугольным импульсом;2) синусоидальным импульсом (модели¬
рует солнечный нагрев); 3) гармонический
нагрев (тепловые волны).3.4. ПРОСТАЯ ТРЕХМЕРНАЯ
МОДЕЛЬ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОВЕРХ-НОСТНОЙ ВЕРТИКАЛЬНОЙ
ТРЕЩИНЫ ПРИ НАГРЕВЕ ПОЛУ¬
ПРОСТРАНСТВА ДВИЖУЩИМСЯТЕПЛОВЫМ ИСТОЧНИКОМТакая модель возникает в случае об¬
наружения тонких трещин, расположен¬
ных перпендикулярно передней поверхно¬
сти. Геометрия задачи соответствует изо¬
браженной на рис. 3.14, б при условии, что
выбран не двухмерный (в виде полосы), а
трехмерный (локализованный) движущий¬
ся источник нагрева (рис. 3.16).В бездефектной области задача имеет
аналитическое решение, приведенное в
82Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХQ<*)в)Рис. 3.16. Обнаружение вертикальных
трещин движущимся 1епловым пучком:
и - схема контроля; распределение
температуры: б - при отсутствии дефектов (в
координатах изделия); в - в зоне вертикальной
трещины (в координатах источника)табл. 2.6 для точечного и гауссовского
источников. В первом приближении по¬
верхностную трещину моделируют плос¬костью, расположенной в точке x = Xq пер¬
пендикулярнопередней поверхности. Бу¬
дем считать, что дефект имеет нулевые^
толщину и теплопроводность (рис. 3.16).
При этом возмущающее действие дефекта
сказывается прежде всего вдоль координа*
ты х, а общая трехмерность модели обуслов¬
лена трехмерностью источника нагрева.Сигнал от дефекта рассчитывают ли¬
бо в координатах неподвижного изделия,
либо в координатах источника. Для де¬
фекта в виде абсолютно теплоизолирован¬
ной плоскости можно получить аналити¬
ческое решение с помощью метода изо¬
бражений, согласно которому с другой
стороны дефекта навстречу основному
источнику симметрично движется мнимый
источник. Температуру в любой точке
впереди основного пучка (x£jt0) опреде¬
ляют по формуле [27]:Г(х,Fo) = Ть (х,Fo) + Та [х + 2(х - х0),Fo];хйх0; Fo£ax0/VR2%(3.47)где Ть, Та - температуры, создаваемые
основным (индекс Ь) и мнимым (индекс а)
источниками согласно формуле, приве¬
денной в габл. 2.6; время Fo£ax0/VR2
соответствует моменту прихода основного
источника в точку jc = jc0 . Следовательно,температура в зоне дефекта в момент при¬
хода основного пучка удваивается по
сравнению с той температурой, которая
была бы при отсутствии дефекта. Соглас¬
но закону сохранения энергии, средняя
температура в зоне пассивного дефекта
должна быть равна средней температуре в
бездефектной зоне, очевидно, что за тре¬
щиной должна возникнуть зеркальная об¬
ласть пониженной температуры.3.5. ТРЕХМЕРНАЯ
АДИАБАТИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА ТКВ работе [28] предложено решение
задачи ТК трехмерной адиабатической
анизотропной пластины с прямоугольным
резистивным дефектом размером Ъ х с
ТРЕХМЕРНАЯ АДИАБАТИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА ТК83(рис. 3.17). Решение включает преобразо¬
вание Лапласа по времени и преобразова¬
ние Фурье по двум поперечным простран¬
ственным координатам. Постановка зада¬
ли для температуры T(x,y,z9x) являетсяКлассической. В пространстве Лапласа она
Ймеет вид (р есть переменная Лапласа -
аналог времени т):а2е | хх д2е |&2 \г etc2 Х2 дуя© я©x = 0,Lx:^ = 0; y = 0,Ly:^- = 0;дудхА , а© _ , d&dJ 50
z = 0:-Xz — = Q; z = l:—— = —
oz oz oz@JJ-ed'=Rdf{x,y)(-Xz ^);T . d& n
Z= 1 ~dz =(3.48)j*«-f(X,/X,)1/2;Lz(3.49)P*-I% P!at\ Rd* = Rd/(LzfXz);
z* = z/L’ /* = //Lz,АLz ; / л Iгм/VVгде © - образ температуры T в простран¬
стве Лапласа; Lx ,Ly,Lz - размеры пла¬
стины; / - глубина залегания дефекта;
f (x, у) = 1 при {*, j} g [хь >>] х [х2, у2],иначе/(*,.у) = 0; Ь=х2 ... х\; с=у2 ...у\ -
размеры дефекта по координатам Хну;Rj - термическое сопротивление беско¬
нечно малой толщины; индексы "d.f и
"dr" относятся к передней и задней по¬
верхностям дефекта.Представляет интерес постановка за¬
дачи в безразмерном виде:0* = 0/(01,/>.,); Ь* = ^-(\г/\х)и2;LZc*=-f(V4),/2;LzЧ'* = 'Р/б; jr* = ±Q,zl\xf2',LZРис. 3.17* К решению трехмерной
адиабатической задачи ТКгде Ч? - образ z-компоненты плотности
теплового потока qz=-X2(dT/dz). Вдальнейшем в данном параграфе индекс *
будет опущен.Основное дифференциальное уравне¬
ние примет видд2е д2@ Э20 _ п „впч( )К функции 0 в уравнении (3.50) при¬
меняют двойное косинус-преобразование
ФурьеТ(а,р,z,p)= J j@(x,y,z,p) cos (ах) хо оxcos(p*)<fcrfy, (3.51)где Т - Фурье-образ 0, а безразмерные
пространственные пульсации приобрета¬
ют дискретные значения:ctj=jn/Lx; $k=kn/Ly, (3.52)где j и неотрицательные целые числа.В пространстве Фурье уравнение(3.50) приобретает вид0-(р + а 2+р2)=0, (3.53)
решение имеет формуr = Fch(uz)+Gsh(wz)t и = ^р + а2 +р2 .(3.54)Решение (3.54) может быть получено
в явном виде, после чего возвращение по¬
84Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХследовательно из пространства Фурье и
Лапласа производят в численном виде.
Основным преимуществом данного реше¬
ния является возможность его использо¬
вания в тепловой дефектометрии (см.
п. 4.7.4).3.6. ОБОБЩЕННАЯ
ТРЕХМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ТК
(ТРЕХСЛОЙНАЯ АНИЗОТРОПНАЯ
НЕАДИАБАТИЧЕСКАЯ ПЛАСТИНА
С ПРОИЗВОЛЬНЫМИ ЕМКОСТНЫМИ
ДЕФЕКТАМИ)Дефекты любого типа в объектах
произвольной геометрической формы це¬
лесообразно описывать в трехмерной де¬
картовой системе координат. На практике
приемлемой является модель, в которой в
изделии, имеющем форму многослойного
параллелепипеда, содержатся дефекты в
форме параллелепипеда. Для трехслойной
пластины математическая постановка за¬
дачи имеет следующий вид (рис. 3.18).dT,{x,y,z,x) ,х д2Т,(х,у,г,т) .Эх дх2. _у d2T,(x,y,z,x) . d2T,(x,y,z,x)5у2 ' &2 ’(3.55)/ = 1-5- М+ 3 (три слоя и М дефектов);г,(т=о)=ги; (3.56)~ aF [7j (х, у,г,т)~ ТатЬ ];(3.57)*\z dTJ(x,y,z = Lz,z)3 dz= -ак\Тъ{х,у,2,х)-ТатЬ\,(3.58)dT,(x,y,z, т) Q
дхдля x = 0,y = 0+Lv]x = Lt,y = 0+Ly-,dT,{x,y,z,i) _ р 59^дудля y = 0,x = 0+Lx;y = Ly,x = 0+Lx;7) (х, у, z, т) = Г1±, (х, у, z, х) и
уя, dTt(x,y,z,i) ?g| dTl±l(x,y,z,x) ^
dq} дq,на границах между слоями, а также межд>
слоями и дефектами.Здесь Tt -температурав /-й области,отсчитываемая от начальной температуры
объекта контроля (i = 1...3 соответствуетслоям изделия и / = 4...(А/ + 3) соответ¬
ствует М дефектам); Тш - начальная тем¬
пература объекта; а*', )?/ - коэф¬
фициенты температуропроводности и теп¬
лопроводности в i-й области вдоль коор¬
динаты q,; х, у, z - декартовы коорди¬
наты; qj - одна из трех декартовых коор¬
динат х,у или z(y = 1...3); т - время;
в(х*У^) “ плотность теплового потока, в
общем случае зависящая от времени и
пространственных координат; aF, aR ко¬
эффициенты теплоотдачи соответственно
на передней и задней поверхностях;
Tamb - температура окружающей среды;Lx,Ly,Lz - размеры изделия по трем
декартовым координатам.
УСЛОВИЯ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ ОТ ВНУТРЕННИХ ДЕФЕКТОВ85Аналогично набору уравнений (3.41 -
3.47) уравнение (3.55) - трехмерное диф¬
ференциальное уравнение теплопро¬
водности параболического типа; (3.56) -
начальное условие; уравнение (3.57) опи¬
сывает граничное условие на передней
поверхности, включая нагрев и ох¬
лаждение; (3.58) — на задней поверхности
(только охлаждение); (3.59) соответствуют
адиабатическим 1раничным условиям на
боковых поверхностях объекта (вдоль ко¬
ординат х и у); (3.60) описывают условия
неразрывности температуры и тепловых
потоков на границах слоев, а также слоев
и дефектов.В зависимости от задания функции
нагрева Q(x,y4т) вышеописанная модельТК может включать различные виды на¬
грева и охлаждения объекта контроля и
соответственно реализовывать различные
методы ТК. Трехмерная декартова модель
(рис. 3.18) использована в программе
ThermoCalc-3D.3.7. УСЛОВИЯ ОБНАРУЖЕНИЯ
СИГНАЛОВ ОТ ВНУТРЕННИХ
ДЕФЕКТОВОбщим критерием сравнения различ¬
ных процедур ТК является отношение
сигнал/шум, которое определяют как==—. (3.61)ZAT2*-**1 noise1=1где &Tt2noise - дисперсия шумовых сигна¬
лов от N некоррелированных источников.
Более подробно статистические процеду¬
ры обнаружения сигналов от дефектов на
фоне помех будут описаны в главе 6. Осо¬
бенности оптимизации процедур ТК свя¬
заны с выполнением ряда простых усло¬
вий, которым должны удовлетворять ин¬
формативные параметры ТК.Внутренний дефект может быть на¬
дежно обнаружен оператором или автома¬
тическим устройством, если в момент на¬блюдения обусловленный им сигнал пре¬
вышает уровень шумов:s>l или AT>J^A7;2„oiie .(3.62)Дисперсия шума изменяется во вре¬
мени, поэтому максимальное значение s
может наступать в определенный момент
времени, в общем случае не совпадающий
с максимумом АДт)или С = ДГ(т)/Г(т).В данной главе мы ограничимся рассмот¬
рением двух крайних случаев: 1) шумы ТК
являются только аддитивными и полно¬
стью определяются шумами детектораАТ’гет. Т.е. ^ЛТЦье = ЛТге>’> 2) ШумыТК являются только мультипликативными
и определяются излучатсльно-поглоща-
тельными свойствами изделия; их можно
характеризовать контрастом помехи
Cfjotse * который не зависит от времени в
силу линейности задач ТК. В первом слу¬
чае оптимальное время наблюдения сов¬
падает со временем наступления макси¬
мального сигнала А7,(т|11), и первое усло¬
вие обнаружения дефекта можно запи¬
сать в видеA7XtJ>A7^. (3.63)Во втором случае оптимальные усло¬
вия обнаружения имеют место при макси¬
муме контраста С(тт), и второе условие
обнаружения дефекта имеет видС(тт)>СпоЬе. (3.64)Следует заметить, что максимальные
температурные контрасты возникают при
кратковременном (Дираковском) нагреве.Принципиальное различие вышеука¬
занных условий состоит в том, что усло¬
вие (3.63) можно выполнить всегда путем
увеличения поглощенной энергии W
(мощности нагрева Q). Условие (3.64) не
зависит от W(Q) и определяется свойства¬
ми изделия.
86Глава 3 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХНа практике абсолютная температура
поверхности изделия в конце нагрева не
должна превышать порога деструкции
материала TdesU (третье усчовие обнару¬
жения дефекта)Т+Ъ’тЛ'Т.ь, (3 65)Поскольку избыючная температура
изделия пропорциональна \\ (0, послед¬
нее условие накладывает ограничение на
поглощенную энергию Пере!рев новерх-
НОС1И изделия наиболее вероятен при
кратковременном нагреве, поэтому каждая
дефекшая ситуация требует оптимального
выбора мощное ги и ддшельности тепло¬
вого импульса1аким образом, вну!ренине дефекты
обнаруживаю 1ся юпловым методом, если
выполняется совокупность следующих
трех условий^ % ) > ^попв ’Tubs(т “ T/i^ * TdcsU (3 66)В условиях (3 66) учас!вую! пара¬
метры 1) аппаратуры (ATIIS), 2) изделия(Споке)' 3) на|рева (7Л), 4) дефекта
(АТ или С)3.8. ОСНОВНЫЕ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ
ЗАВИСИМОСТИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ
СИГНАЛОВ ОТ ПАРАМЕТРОВИЗДЕЛИЯ И ДЕФЕКТА ПРИ
ИМПУЛЬСНОМ ТКВ моделях ТК, описанных выше,
темпера1урныи сигнал над внутренним
дефектом АГи ею производные, напри¬
мер. текущий температурный контраст
Спт - АТ 1ГпН, зависят от• времени {тА},• параметров нагрева {£?, тл},• интенсивности 1еплообмена обьек
та контроля с окружающей средой {aF,
a*}.• толщины объекта контроля {!},• теплофизических свойств объекта
контроля {X, а},• геометрических размеров дефекта
f/rlf Аг, hz } и глубины его залегания
{/},• ТФХ дефекта {Xd% ad}Таким образом, на выявляемость де¬
фектов тепловым методом влияют, по
крайней мерс, 14 парамегров, часть из ко¬
торых, а именно {а7, а*, К а, #</}, можно
условно огнесги к разряду слабо-
влияющих в обычных условиях испыта¬
ний3.8.1. Изменение температурных
сш налов во времени. Тепловой НРК на¬
зывают активным, или динамическим
(transient, dynamic), поскольку сигналы от
вну тренних дефектов существенно зависят
от времени наблюдения информативных
парамегров Анализ изменений АТ и С™
во времени представляет 1акже интерес с
точки зрения повышения отношения сиг¬
нал/шум, соответствующие алгоритмы ши¬
роко распространены в современном ТКРяд особенностей изменения темпе¬
ратуры надеваемых тел во времени были
рассмотрены в главе 2 с использованием
одномерных классических решений тео¬
рии теплопроводности, коюрые имеют
критериальную форму и позволяют анали¬
зировать температурные функции в наи¬
более общей форме В настоящем пара¬
графе будут рассмотрены результаты ана¬
лиза многомерных моделей, описанных в
пп 3 3, 3 4 Ббльшая 4acib примеров будет
относиться к выявлению дефектов в ком¬
позиционных материалах гипа углепла¬
стика, которые широко используются в
авиакосмической технике и представляют
обширное поле для применения ТК Тем
не менее, приведенные результаты качест¬
венно объясняют особенности ТК и для
многих других материаловНа рис 3 19, ач б показаны изменения
температуры на передней (У7) и задней (/2)
поверхностях изделия из углепластика
толщиной 5 мм, нагреваемого тепловым
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ87импульсом (в данном случае изделие счи¬
тается изотропным, поскольку наиболь¬
шее влияние на амплитуду АТ оказывает
компонента тензора теплопроводности А*)
При кратковременной тепловой стимуля¬
ции, те когда длительность нагрева су¬
щественно меньше характерных времен
теплопередачи в конкретном изделий (Fon
= aXfJL2 « 0,1), заметная разница между
дефектной Td и бездефектной ГЯ£/темпе¬
ратурой начинает сказываться на стадии
охлаждения (т>тл) На рис 3 19, в, г
дифференциальные температурные сигна¬
лы AT = Td-Tnd сравнены с текущимтемпературным контрастом Cnin = АТ/Tnd
(в дальнейшем индекс "run" будет опу¬
щен) На обеих поверхностях изделия ин¬
формативные параметры АТ и С обна¬
руживают специфические максимумы,
которые наступают при различных опти¬
мальных временах наблюдения тот На пе¬
редней поверхности (рис 3 19, в), на ста¬
дии охлаждения, максимальное значение
АТ„ наступает раньше, чем максимальноезначение контраста Ст Напротив, еслиоба максимума имеют место внутри им¬
пульса нагрева, то максимальный контраст
Ст опережает максимальный перепадАТт Во многих случаях, максимальное
отношение сигнал/шум наступает в мо¬
мент максимального контраста тт{Ст)%который может рассматриваться как on-
тимальное время ТК (optimal observation
time) На задней поверхности изделия
максимальный контраст обычно наступает
при очень коротких временах, когда из¬
быточная температура Т и температурный
сигнал АТ малы Поэтому в двусторон¬
них процедурах ТК (рис 3 19, г), опти¬
мальным временем контроля является та¬
кое, при котором сигнал АТ начинает
превышать уровень шумов Следует на¬
помнить, что АТ > 0 на нагреваемой по¬
верхности и АТ < 0 на задней поверхно¬
сти для дефектов, чья теплопроводностьниже, чем теплопроводность основного
материала Для более теплопроводных
включений знак дифференциального тем¬
пературного сигнала становится обрат¬
нымИз последнего правила есть исклю¬
чение, обусловленное так называемой ин¬
версией АТ Инверсия возникает на пе¬
редней поверхности при больших време¬
нах наблюдения, когда слой перегретого
над дефектом основного материала начи¬
нает охлаждаться быстрее, чем бездефект¬
ные слои Амплитуда инверсионного сиг¬
нала обычно мала, и это явление редко
наблюдают на практике Возможности,
которые гипотетически представляет ин¬
версия для выделения сигналов от дефек¬
тов на фоне помех, до сих пор не исследо¬
ваныИз-за диффузного характера тепло¬
передачи в твердом теле температурные
сигналы на передней поверхности весьма
чувствительны к глубине залегания де¬
фектов / с ростом / уменьшается не толь¬
ко амплитуда АГ, но и моменты опти¬
мального ТК наступают при более позд¬
них временах (рис 3 19, д) Феноменоло¬
гически это можно объяснить, используя
концепцию температурных волн, согласно
которой гармонические компоненты сти¬
мулирующего теплового импульса прони¬
кают в твердое тело на различную глубину
в зависимости от частоты, испытывая при
этом отражение, интерференцию и затуха¬
ние Важной характеристикой двусторон¬
них процедур ТК является тот факт, чго
характеристики температурных сигналов
на задней поверхности, в основном, опре¬
деляются толщиной изделия L и относи¬
тельно слабо зависят от / Интересно от¬
метить, что максимальные значения АТти хт имеют место для дефектов, распо¬
ложенных в центре изделия (рис 3 19, е)Тепловое нагружение в методе теп¬
ловых волн часто описывают функциейe = -y-[l-cos(2n/T)], (3 67)
88Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХ2.5
2,01.5
1,0
0,5Т-Т^ X1 ••1 \ ПередняяУглепластик1 \ поверхность£М 00 кВт/м2\ \т*=0,01 с1 ••
1 v1=5 мм\ \гл-5 мм"\ \ д</=0, 1 ммL \ Vf=0,25 мм" \ V БД ^11х.сТ-Т^ ,°Са)0,160,120,080,04Задняя поверхностьУглепластик0=100 кВт/м2
т*=001 с
L=5 мм
г/=5 мм
*/=0,1 мм/=0,25 мм т,сх.с*,с-0,05-0,10-0,15-0,20-0,25-0,30Задняя поверхностьУглепластик
0=100 кВт/м
та=0,01 с
1=5 мм
г</=5 мм
<зМ),1 мм
/=0,25 ммД Т. °С; С'"Передняя поверхноегь
/=0,25 ммУглепластик2*100 кВт/м г
1**0,01 с
L=5 мм
г/*5 мм
*/=0,1 мм10т,ст, сРис. 3.19* Изменение температурных сигналов во времени на поверхности
углепластика толщиной 5 мм в результате действия теплового импульса
длительностью 0901 с (БД - бездефектная зона, Д-дефектная зона).Температура на поверхности: а - передней б - задней. Температурный сигнал и контраст на по¬
верхности: в - передней; г - задней. Зависимость температурного сигнала от глубины дефектов наповерхности: д - передней; е - задней
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ89т, °сQ~(QJ2) [1 - cos (2 я /х) ]Л6=10 кВт/м 4
/=0,2 Г ц
L-5 мм
rd=5 мм
1=1 мм
d=0,1 ммб)АТ. °С; С™£)= 10 кВт/м 2
/=0,2 Гц
L-5 мм
г«/=5 мм
/=1 мм
cN). 1 ммв)Рис. 3.20. Изменение температурных сигналов во времени на поверхности изделия
из углепластика, нагреваемого гармоническим тепловым потоком (воздушный дефект
на глубине 1 мм, частота нагрева/ = 0,2 Гц близка к оптимальной):
а - температура на передней поверхности в бездефектной области (80 циклов нагрева);
б - температура на передней поверхности (3 цикла нагрева); в - температурный сигнал и
контраст на передней поверхности (3 цикла нагрева)
90Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХА Т. °СХт, САТаШ °Со)б)Рис. 3.21. Оптимальные параметры обнаружения дефектов в углепластике
толщиной 5 мм в зависимости от глубины их залегания:
а - передняя поверхность; б - задняя поверхность
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ91которая обеспечивает неотрицательные
значения плотности теплового потока в
течение всего нагрева.Поверхностная темпера! ура, как в
бездефектной, гак и в дефектной зонах,
имеет постоянную и гармоническую ком¬
поненты (см. пример на рис. 3.20, а). Ква-
зистационарный режим достигается через
определенное количество волновых пери¬
одов, которое зависи! от гипа материала и
толщины изделия. Классический фото-
термический (photothermal^ метод, обычно
применяемый в испытаниях тонких мате-
риалов, требует 5 ... 10 циклов для дости¬
жения квазиаационарного режима, при
котором анализируют амплитуду н фазу
тепловых волн. В ТК широко применяют
модификацию этою метода, которая полу¬
чила название синхронного термографиче¬
ского контроля (lock-in thcrmo-graphy). В
отличие от фоготермического метода, в
котором реализована поточечная схема
сканирования изделия, данный метод пре¬
дусматривает на!рев изделия и регистра¬
цию температуры в достаточно больших
зонах. При контроле относительно тол¬
стых изделий, например, углепластика
толщиной 5 мм. может понадобиться не¬
сколько десятков циклов для того, чтобы
установился квазистационарный режим
(рис. 3.20, а).Наиболее примечательной хараюе-
ристикой поверхностных тепловых волн
является наличие сдвига фаз fphase lag)
как относительно функции нагрева, таки
между волнами в бездефектной и дефект¬
ной областях (рис. 3.20, б). На поверхно¬
сти полубесконечного тела сдвиг фазы
бездефектной поверхностной волны отно¬
сительно функции нагрева равен 45°. Фа¬
зовые сдвиги рассматривают в качестве
информативного критерия дефектности
тела, который часто обеспечивает лучшее
значение отношения сигнал/шум по срав¬
нению с температурной амплитудой. По¬
скольку фаза может быть выражена в тер¬
минах времени, анализ сигналов в фазо¬
вом пространстве в определенной степени
идентичен анализу во временной области.Известно, что измерения как фазы, гак и
времени, являются более помехозащи¬
щенными, что обусловило их широкое
применение в измерительной технике и
НРК.Концепция абсолютных 1емперагур-
ных сигналов и безразмерных темпера¬
турных контрастов сохраняет свое значе¬
ние также и для метода тепловых волн.
Примеры развития АТ и С во времени
показаны на рис. 3.20, в. Оба информатив¬
ных параметра испытывают периодиче¬
ские колебания. Постоянная компонента
температурного сигнала возрастает с те¬
чением времени но крайней мере в тече¬
ние первых пяти периодов, поскольку
фактически тело нагревается той посюян-
ной составляющей теплового потока, ко¬
торая содержится в функции нагрева вида
(3.67). В го же время темнера!урный кон¬
траст быстро достигает максимума через
5 с после включения нагревателя, что со¬
ответствует тепловой волне с частотой
0,2 Гц (э1а частота близка к оптимальной
при обнаружении расслоений в углепла¬
стике на глубине I мм).3.8.2. Глубина залегания дефекта.
Влияние глубины залегания дефекта / на
оптимальные параметры ТК проиллюа-
рировано рис. 3.21 на примере ТК угле¬
пластика толщиной 5 мм.На передней поверхности темпера¬
турный сигнал резко спадае1 с ростом /
(рис. 3.21, а). Если нринять типичное
температурное разрешение ИК-прибора
равным 0,1 °С, предельная глубина обна¬
ружения составш около 3 мм. Этот вывод
справедлив для мощности нагрева Q = 10б
Bi/m\ что соответствует избыточной тем¬
пературе поверхности в конце нагрева
-110 °С. Дальнейшее увеличение мощно¬
сти нагрева способно повысить АТ и со¬
ответственно увеличить предельное зна¬
чение /, однако при этом изделие может
разрушиться вследствие перегрева. Таким
образом, предельно допустимая темпера¬
тура материала ограничивает повышение
мощности нагрева при обнаружения более
92Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХа)А Г # °СРис. 3.22. Оптимальные параметры обнаружения дефектов в углепластике
толщиной 5 мм в зависимости от толщины дефекта:
а - передняя поверхность; б - задняя поверхность
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ93более глубоких дефектов. Более строго
мультипликативной поверхностной поме¬
хи, рост температуры нагрева не приведет
к улучшению отношения сигнал/шум
вследствие пропорционального возраста¬
ния амплитуды шума. Что касается опти¬
мального времени наблюдения тт, то оно
возрастает с увеличением /, достигая
xw~10c при /- 3 мм. Отметим, что с уче¬
том данных рис. 3.21, а, рекомендуемое в
литературе соотношение xw =/2/а, кото¬
рое не принимает во внимание конечные
размеры дефектов, может рассматриваться
только в качестве грубого приближения.На задней поверхности графики обе¬
их функций АД/) и тт(/) являются сим¬
метричными относительно середины из¬
делия / = 2,5 мм (рис. 3.21, б). Иными сло¬
вами, при двусторонней процедуре ТК,
максимальные сигналы АТ создаются
дефектами, находящимися в центре изде¬
лия.3.8.3. Толщина дефекта. В принципе
толщина дефекта d в направлении распро¬
странения основного теплового потока
является всего лишь одним из размеров
дефекта, которые в целом существенно
влияют на АТт и тт. Анализ параметра dотдельно от поперечных размеров дефек¬
тов h целесообразен при сравнении мно¬
гомерных и одномерных задач ТК. Как
следует из рис. 3.22, с ростом d увеличи¬
вается амплитуда сигнала АТ и возраста¬
ет время тт. Если дефект расположен всередине изделия, т.е. на глубине / = 2,5
мм, соответствующие зависимости подоб¬
ны как для передней, так и для задней по¬
верхностей (рис. 3.22). Наиболее сильно
параметры АТ и тт изменяются при ма¬
лых значениях d9 в частности, для тонких
дефектов можно считать, что AT~d. При
значительных толщинах дефектов соот¬
ветствующие зависимости проявляют эф¬
фект насыщения.При разработке алгоритмов тепловой
дефектометрии дефектов решающим па¬раметром является не толщина, а тепловое
сопротивление дефекта Rd=d/\d, по¬
скольку толщина дефекта d и его тепло¬
проводность Xd совместно влияют на па¬
раметры обнаружения. Это еще одно от¬
личие параметра d от поперечных разме¬
ров hx и hy, которые больше связаны счисто геометрическими показателями
функции АТ(х,у,%) на поверхности изде¬
лия.3.8.4. Поперечные размеры и кон¬
фигурация дефекта. Дефекты достаточно
больших поперечных размеров могут при¬
водить к одномерному течению тепла че¬
рез дефект. Это положение проиллюстри¬
ровано на рис. 3.23 зависимостью АТ„ и тт
от г<*//. Видно, что в углепластике попе¬
речным тепловым потоком можно пренеб¬
речь, если 2г«/// > 5. Для более теплопро¬
водного алюминия это условие становится
более жестким: 2rd!l > 10. В литературе по
ТК известно приближенное правило, со¬
гласно которому с помощью теплового
метода можно обнаружить дефекты, попе¬
речный размер которых по крайней мере
вдвое превышает глубину их залегания,
т.е. 2rd/l > 2. Данные рис. 3.23, а подтвер¬
ждают этот вывод, поскольку именно со
значений 2rdH<*2 начинается резкийспад АТт. Следует отметить, что времен¬
ные параметры (тт) более устойчивы к
вариациям поперечных размеров дефек¬
тов, что еще раз доказывает предпочти¬
тельность их использования для оценки
параметров дефектов.Другой аспект анализа диффузии те¬
пла в поперечном направлении относится
к влиянию на АТ„ и тт конфигурации де¬
фектов при их неизменной площади, а
также влиянию дефектов друг на друга. На
рис. 3.24 приведены термограммы, полу¬
ченные при трех моментах времени, для
50 %-го коррозионного уноса материала в
стальной пластине толщиной 2 мм. Пло¬
щадь поперечного сечения всех дефектов
равна 25 мм2 (рис. 3.24, а). Форма дефек¬
тов воспроизводится наилучшим образом
94Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХA Tm{rd!l)
ATm(rd/l= со)о)Xmird/l~ ОО)б)Рис. 3.23. Зависимость от поперечных размеров дефектов
оптимальных параметров обнаружения:
а - максимального температурного сигнала; б - оптимального времени наблюденияпри малых временах наблюдения (рис.
3.24, б), когда поперечный тепловой поток
незначителен; при этом влияние близко¬
расположенных дефектов друг на друга
минимально. При оптимальном временинаблюдения (рис. 3.24, в) температурный
сигнал достигает максимума АТт однако
при этом возрастает интенсивность диф-j
фузии тепла в поперечном направлении. В
этот момент времени пятикратное измене¬
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ95а)б)в) г)Рис. 3.24. Влияние конфигурации дефектов на распределение
поверхностной температуры (обнаружение 50 %-го коррозионного уноса материала в стали
толщиной 2 мм; Q = 106 Вт/м2; тА = 0,01 с):а - схема дефектов (дефект I - 1 х 25 мм2, дефект 2-2х 10 мм2, дефект 3-5/5 мм2),
б - распределение температуры при 0,1 с; в - 0,5 с (оптимальные условия обнаружения); г - 1 сние размеров дефекта вдоль одной из ко¬
ординат приводит приблизительно к няги-
кратнохму изменению АТ,т даже если пло¬
щадь поперечно! о сечения дефекта посто¬
янна (сравнить сигналы от дефектов 1 и3). При больших временах наблюдения
диффузия тепла может существенно иска¬
жать поверхностные температурные "or-
печатки" скрьпых дефектов. Например, в
анизотропных материалах форма таких
96Глава 3 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХотпечатков может искажаться из-за разли¬
чий в теплопроводности материала вдоль
различных координат (рис 3 24, г)3.8.5. Протокол нагрева и его оп¬
тимизация. Гипотетическая оптимальная
процедура ТК В силу линейности задач
ГК, по крайней мере при обычных усло¬
виях, избыточная температура поверхно¬
сти Т и температурный сигнал АТ прямо
пропорциональны мощности (энергии)
нагрева Поэтому, как отмечено выше, для
обеспечения максимального значения АТ
мощность нагревателя Q должна быть
возможно большей В то же время рост Q,
с одной стороны, 01раничивается пре¬
дельно допустимой температурой мате¬
риала изделия (температурой деструкции),
с другой стороны, максимизировать сле¬
дует не сам сигнал, а отношение сиг¬
нал/шум Во многих случаях для этого
достагочно обеспечить максимальное зна¬
чение текущего температурного контрастасгип = дг/г Еще в 19?5 г А Е Карпель.сон и др показали, что максимальный
контраст создается мгновенным точечным
источником, перемещающимся по объему
изделия [29] Авторами исследован на экс¬
тремумы функционал, полученный в ре¬
зультате аналитического решения трех¬
мерной задачи для тела с дефектом, кото¬
рый моделировали экспоненциальным
изменением ТФХМаксимальный контраст Сгип дости¬
гается, если в центре дефекта действует
мгновенный точечный источник В то же
время максимально возможное значение
Спт можно получить из следующих фи¬
зических рассуждений Пусть происходи г
нагрев энергией W поочередно элементар¬
ного адиабатического объема А V внутри
дефекта и равного объема в основном ма¬
териале Среднее повышение температуры
элеменгарных объемов равноW WTnd= - , Tj = - (3 68)(с p^AV (cp)dAVМаксимальная величина С,ип со¬
ставляетс™ = (£рк~, (369)
(ср )dУсловия максимальной локализован-
ности и мгновенного действия гипотети¬
ческого оптимального источника нагрева
физически следуют из необходимосги
обеспечить максимальную адиабатичность
элемен гарного объема, т е предотвратить
объемную диффузию теплаПрактическая реализация указанного
способа тепловой стимуляции затрудни¬
тельна, поэтому близкими к оптимальным
режимам ТК являются 1) поверхностный
нагрев сосредоточенным тепловым пуч¬
ком, сканирующим без пропусков поверх¬
ность изделия, 2) пропускание черев ме¬
таллическое изделие мощною импульса
электрического тока, 3) индукционный на¬
грев скрытых металлических слоев в струк¬
турах металл-неметалл, 4) мощный объем¬
ный СВЧ-нагрев В частности, как показано
в п 3 2 2, для поверхностного нагрева мак¬
симальное значение Cm” =L/l-\ (срав¬
нить с формулой (3 69)На пракгике оптимизация протокола
ТК включает теоретический анализ раз¬
личных вариантов нагрева и регистрации
температуры с учетом технологических и
других ограниченийПрактическая оптимизация прото¬
кола нагрева. В принципе каждая от¬
дельно взятая дефектная ситуация требует
организации опгимального протокола на¬
греваОсобенности протокола нагрева по¬
казаны на рис 3 25 для одностороннего
ТК Наивысший контраст обеспечивается
квази-Дираковским импульсом нагрева
(тА = 0,01 с) При длинном нагреве(тА =25 с) максимальный кон грает насту-паег при 7 с Если прекратить нагрев при7 с, то контраст слегка возрастает, в то
время как темперагура поверхности спа¬
дает Фактически задний фронт прямо¬
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ97ПередняяповерхностьУглепластикL-5 мм
rd=5 мм
ch 0,1 мм
/=1,0 ммРис. 3.25. Влияние длительности импульса нагрева на текущий
температурный контрастугольного импульса действует как им¬
пульс Дирака, поэтому кратковременный
рост контраста отмечается всегда после
прекращения действия прямоугольного
импульса. При длительных временах на¬
блюдения как температурный сигнал, так
и контраст могут стать отрицательными
вследствие более быстрого охлаждения
слоя материала над дефектом (рис. 3.25).Таким образом, требования к нагреву
можно сформулировать следующим обра¬
зом: 1) импульс нагрева должен быть дос¬
таточно коротким для создания необходи¬
мой амплитуды температурного контраста
С (в случае оптического нагрева это также
позволяет вывести точку наблюдения за
пределы импульса, где отсутствует отра¬
женное излучение); 2) полная энергия им¬
пульса должна быть достаточной для
обеспечения необходимого сигнала А Г;3) импульс должен быть не слишком
мощным, чтобы не разрушить изделие за
счет перегрева.На практике могут иметь место дру¬
гие факторы, влияющие на выбор прото¬кола нагрева: технические ограничения,
помехи дефектоскопу со стороны нагрева¬
теля, требования техники безопасности и
т.п.С точки зрения теории оптимальной
фильтрации максимальное отношение
сигнал/шум для конкретного дефекта дос¬
тигается, если форма импульса нагрева
идентична временному отклику АТ для
данного дефекта. По крайней мере, теоре¬
тически возможно фильтровать эксп-
риментальные данные в зависимости от
предполагаемых типов дефектов и воз¬
можных глубин их залегания. Практиче¬
ские преимущества такого подхода не ис¬
следованы.3.8.6. Материал изделия. Без учета
помех, оптимальными для ТК являются
материалы, создающие максимальный
контраст температуры. С одной стороны,
тепловая энергия не проникает глубоко в
слаботеплопроводные материалы, с дру¬
гой стороны, в высокотеплопроводных
материалах сильна диффузия тепла вокруг
дефектов. Теоретические расчеты задач4-607
98Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХ0,1 0,5 1 5 10 50 100 300Теплопроводность X, Вт/(м-К)1 Ю 100 loooТемпературопроводность а, м2/сРис. 3.26. Зависимости оптимальных параметров обнаружения от материала:
а - максимальный температурный контраст в зависимости от теплопроводности; б - оптимальное
время обнаружения в зависимости от температуропроводности
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ99ТК показывают, что температурные
конт-расты в металлах выше, чем в неме¬
таллах, однако на практике металлы име¬
ют ббль-ший уровень помех, что снижает
отношение сигнал/шум Время наблюде¬
ния дефектов должно находиться в преде¬
лах технических возможностей аппарату¬
ры контроля Например, зоны коррозии в
тонких алюминиевых листах создаю г зна¬
чительные температурные контрасты, ко¬
торые существуют в течение коротких
времен наблюдения (10 100 мс) При
таких временах развития теплового про¬
цесса, применение обычных тепловизоров
с частотой кадров до 30 Гц и последова¬
тельным считыванием сигнала приводит к
искажению термограмм, поскольку темпе¬
ратуры в различных точках одного и того
же изображения регистрируются в раз¬
личные моменты времени Поэтому для
обнаружения коррозии в тонких высоко¬
теплопроводных материалах рекоменду¬
ется применять тепловизоры с матрич¬
ными детекторами, размещенными в фо¬
кальной плоскосги и работающими в ре¬
жиме одновременного считывания сиг¬
нала (snap-shot mode) Кроме того, поверх¬
ность металлов, как правило, покрывают
материалами с высоким коэффициентом
излучения, что решает одновременно три
задачи. 1) увеличение поглощенной энер¬
гии; 2) снижение случайных флуктуаций
излучения по поверхности, 3) умень¬
шение отраженного излучения.Влияние типа материала на опти¬
мальные параметры обнаружения проил¬
люстрировано на рис 3.26 Видно, что
ббльшие контрасты возникают в более
теплопроводных материалах (рис 3 26, а)
при более коротких временах наблюдения
(рис 3 26, б) Эта тенденция сохраняется
Для различных глубин залегания дефектов,
хотя ясно, что с ростом / интенсивность
растекания тепла вокруг дефектов стано¬
вится более существенной, и для опреде¬
ленных дефектов возможно существова¬
ние "оптимального" материала, который
обеспечит максимальное значение С3.8.7. Мощность нагрева и интен¬
сивность поверхностного теплообмена.Как отмечалось выше, вследствие линей¬
ности классических задач теплопроводно¬
сти как избыточная температура нагрева,
так и температурный сигнал над дефек¬
том, прямо пропорциональны поглощен¬
ной энергии W, или мощности Q, в то вре¬
мя как температурные контрасты (теку¬
щий и нормализованный) не зависят от
W(Q) Во многих случаях более интенсив¬
ный нагрев обеспечивает более качествен¬
ные изображения дефектов за счет
большего отношения сигнал/шум
s = AT/ATre, или, в более общем случае,отношения сигнал/помеха s = АТ! ATMIW,где ДTn0lse- эквивалентный сигнал помехразличного рода, включая собственные
шумы приемника излучения, которые оп¬
ределяют величину ATres Шум ATres яв¬
ляется аддитивным % в то время как по¬
верхностные шумы объектов контроля
могут в первом приближении считаться
мультипликативными (см п 3 7) Такими
являются шумы, вызванные флуктуациями
коэффициента излучения s, который вы¬
ступает в качестве сомножителя в соот¬
ветствующем выражении для выходного
сигнала дефектоскопа В случае строго
мультипликативных помех, контраст по¬
мехи во времени не изменяется, поэтому
он может служить хорошей характеристи¬
кой конкретного материала Однако, в
общем случае, амплитуда помехи изменя¬
ется в ходе нагрева, в частности, из-за на¬
личия отраженного излучения и других
нелинейных эффектовИнтенсивность поверхностного теп¬
лообмена описывается коэффициентами
of на передней и aR на задней поверхно¬
стях Для тонких и/или высокотеплопро¬
водных материалов, удовлетворяющих
соотношению Bi = аЫХ < 0,1, что прибли¬
зительно соответствует адиабатическим
условиям, температурные контрасты слабо
зависят от интенсивности теплоотдачи в
широком диапазоне значений а При ТК
толстых и/или низкотеплопроводных ма¬
100 I лава 3 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХтериалов более интенсивная теплоотдача
на передней поверхности снижает темпе¬
ратурные контрасты на этой поверхности
В двухсторонних процедурах сигна¬
лы от дефектов слабо зависят от а3.8.8. Анизотропия ТФХ. Учег ани¬
зотропии ТФХ может быть важным, пре¬
жде всего, при ТК волокнистых компози¬
тов, у которых теплопроводность вдоль
волокон выше, чем в перпендикулярном
направлении, а укладку отдельных слоев
производят с поворотом волокон на неко¬
торый угол На рис 3 27, а изображена
пласшна из углепластика, состоящая из
3-х слоев юлщиной по 0,2 мм, ТФХ кото¬
рых различны по координатам х и у В
центре каждого слоя находятся тонкие
расслоения квадратной формы Нагрев
изделия производят оптическим импуль¬сом длительностью 10 мс В момент вре¬
мени 0,2 с прямоугольная форма дефектов
прослеживается на термограмме передней
поверхности достаточно хорошо, наи¬
большее искажение формы происходит
для неглубокого дефекта в 1-м слое
(рис 3 27, б) С увеличением времени на¬
блюдения до 1 с дефектные зоны сглажи¬
ваются и имеют овальную форму, причем
форма температурного отпечатка от де¬
фекта в 1-м слое становится резко вытяну¬
той в направлении оси х ввиду того, что
теплопроводность углепластика по этой
координате в 10 раз выше теплопроводно¬
сти по координате у (рис 3 27, в)Формы температурных отпечатков
для других дефектов также претерпевают
искажения, обусловленные влиянием ани¬
зотропии вышележащих слоевУикчпшасшк >(ОД мм-Ю,2мм+0Д мм)Дефекты
(5 ч * \ 0,05 мм)>-,-6,4 Bi/(m К)*.„=0,64л;=0,64>-,=6,4 Вт/(м К)
А., =0,64
>*-=0 64> ,-0.64 Bi/(m К)
>'i=6,4
А.-=0,6 4и)б)е)Рис. 3.27. Влияние анизотропии ТФХ на температурное распределение в пластине
из углепластика с расслоениями после импульсного нагрева:
а - схема изделия, б — гермограмма при 0,2 с (изотермическое представление),
в - термограмма при 1 с (изотермическое представление)
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ1013.8.9. Температурное поле в зоне
трешины, расположенной перпендику¬
лярно передней поверхности. Изделие из
стали, содержащее два воздушных дефек¬
та (рис. 3.28, д), нагревают полосовым
источником в течение 0,5 с. Один из де¬
фектов расположен на глубине 1 мм от
передней поверхности, имитируя подпо¬
верхностную трещину с открытым устьем,
второй дефект практически достигает пе¬
редней поверхности (глубина залегания10 мкм) и имитирует поверхностную тре¬
щину с закрытым устьем или трещину
забитую краской, грязью и т.п. Трещины
такого рода характерны, например, для
турбинных лопаток [30]. Через 0,1 с после
включения источника распределение по¬
верхностной температуры связано только
с полосовым нагревом (на левом краю
изделия) и не содержит следов дефектов
(рис. 3.28, б). Температурный профиль в
этом случае имеет регулярный вид с по¬
нижением амплитуды слева направо. На¬
чиная с определенного момента времени,
зависящего от расстояния между зоной
нагрева и трещинами, регулярный харак¬
тер поля нарушается из-за того, что тре¬
щина препятствует распространению теп¬
лового потока слева направо и вглубь из¬
делия (рис. 3.28, в). Вместе с тем, форма и
амплитуда сигнала АТ гакова, что простой
визуальный анализ термограммы рис. 3.28,
б, в не обеспечивает надежного выявления* обоих типов трещин. В работе [30] было
предложено подчеркивать присутствие
дефектов путем дифференцирования
строчного температурного сигнала по
пространственной координате, как это
показано на рис. 3.28, г-ж. Изображение
, на рис. 3.28, г получено путем обработки
термограммы рис. 3.28, в с помощью ста¬
тистического фильтра локальной диспер¬
сии (statistical local variance filter). Сигнал
температурной производной показан на
рис. 3.28, д, ж как результат обработки
термограммы рис. 3.28, в с помощью
Фильтра Лапласа.Отчетливое изображение обоих ти¬
пов дефектов на рис. 3.28, г-ж обусловле¬но крутым спадом температуры через
трещину. Отметим, что амплитуда сигнала
для трещины с открытым устьем прибли¬
зительно в три раза превышает сигнал над
трещиной с закрытым устьем. На практи¬
ке, качество соответствующих изображе¬
ний ухудшается по сравнению с расчет¬
ными результатами в силу того факта, что
операция дифференцирования увеличива¬
ет вклад высокочастотных шумов и тем
самым снижает отношение сигнал/шум.Качество исходной термограммы
можно повысить путем: 1) локализации
поверхностного нагрева; 2) перемещения
поверхностного источника с постоянной
скоростью и регистрации температуры на
определенном расстоянии от него; 3) на¬
гревом торца изделия для перехода от по¬
верхностного к объемному нагреву.3.8.10. Выявление близкорасполо¬
женных дефектов. Проблему взаимного
влияния дефектов на поверхностное рас¬
пределение температуры рассматривают в
двух аспектах: 1) близкое расположение
дефектов в плоскости наблюдения ставит
задачу о пространственном разрешении
теплового метода аналогично тому, как
это имеет место в оптике; 2) дефекты, рас¬
положенные ближе к контролируемой по¬
верхности, могут затенять дефекты, рас¬
положенные глубже за ними. Обе задачи
решают, используя численные методы.Пространственное разрешение ТК.
Задача состоит в обеспечении условий
контроля, которые позволят различить два
близко расположенных дефекта. Как и в
оптике, для этого изготавливают специ¬
альные образцы, подобные оптическим
мирам, с канавочными дефектами различ¬
ной ширины, находящимися на различных
расстояниях друг от друга. Очевидно, что
для данного стандартного образца улуч¬
шить пространственное разрешение мож¬
но оптимальным выбором процедуры и
условий контроля.Данная проблема проиллюстрирована
на примере ТК образцов из углепластика и
алюминия, в которых на глубине 0,5 мм
102 Глава 3 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХд)е) ж)Рис. 3.28. Выявление трещины, расположенной перпевдикулярно передней
поверхности, при полосовом нагреве образца из стали марки A1S11010 в течение 0,5 с(X = 63,9 Вт/(м К), а = 18,8 10"6 м2/с, программа ThermoCalc-3D)
а - схема изделия, б - температурное поле при 0,1 с, в - температурное поле при 2 с,
г - то же, что в после обработки статистическим фильтром (инверсное изображение),
д - то же, что в после обработки статистическим фильтром Лапласа, е - профили температуры
для изображения г; ж - профили температуры для изображения д
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ103в)г)Рис. 3.29. Пространственное разрешение дефектов в ТК(поперечные размеры дефектов 3 х 25 мм, глубина залегания 0,5 мм, толщина дефектов 0,5 мм):
а - схема дефектов; б - углепластик (L = 5 мм, Хх = Ху = Xz = 0,64 Вт/(м • К),Q= 105 Вт/м2, тл = 1 с); в - углепластик (L = 5 мм, Хх = 6,4 Вт/(м • К), Q=105 Вт/м2, тл = 1 с);
г - алюминий (L = 2 мм, Q— 106 Вт/м2, тл = 0,03 с)расположены 6 дефектов (схема рис. 3.29,а). Для углепластика рассмотрены 2 вари¬
анта: 1) изотропный материал (кх = Xy = Xz =
= 0,64 Вт/(м • К)); 2) анизотропный мате¬
риал (Ху = XZ = 0,64 Вт/(м • К)). Мерой про¬
странственного разрешения выбрано от¬
ношение температурного сигнала АГразр
от двух близкорасположенных дефектов к
максимально возможному сигналу АТ,
который имеет место для одиночного де¬
фекта (см. рис. 3.29, б). Примем, что два
близкорасположенных дефекта будут уве¬
ренно обнаружены, если Агразр > 0,1 АГ.
Тогда в изотропном углепластике для мо¬
мента наблюдения 1 с пространственное
Разрешение будет лучше 0,5 мм, что соот¬ветствует расстоянию между первыми
двумя дефектами слева (рис. 3.29, б). В
анизотропном угепластике, благодаря воз¬
росшей диффузии тепла в направлении
оси X пространственное разрешение
ухудшается до 2,5 мм (расстояние между
правыми крайними дефектами на
рис. 3.29, в). Соответственно, в алюминии
для момента'наблюдения 0,03 с простран¬
ственное разрешение равно 0,5 мм
(рис. 3.29, г). Очевидно, что пространст¬
венное разрешение теплового метода
ухудшается с увеличением времени на¬
блюдения и ростом глубины дефектов.Профили на рис. 3.29 также иллюст¬
рируют тот факт, что несколько близко-
104 Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХРис. 3.30. Затенение одного дефекта другим.(Углепластик; 1 = 5 мм; / = 1 мм; с/= 0,1 мм; Q = 105 Вт/м2; тА = 0,01 с; т = 0,5 с)расположенных дефектов повышают сред¬
нюю температуру изделия в зоне их
нахождения, и при недостаточном про¬
странственном и/или температурном раз¬
решении тепловизора множественные де¬
фекты могут регистрироваться как один
большой дефект.Ситуация "дефект под дефектом".
Анализ этой ситуации, впервые выпол¬
ненный группой А. Бендада с соавторами
[31], показал, что суммарное температур¬
ное распределение Д7^(дг,,у,т)над груп¬
пой малоразмерных дефектов может быть
представлено как суперпозиция сигналов
от каждого дефекта: ДГ2(дг,>%т) == ^ДГДдг,^,!), причем суммированиепроизводят как в пространстве, так и во
времени. В ряде случаев идентификация
дефектов возможна визуально. Например,
в 1-м случае на рис. 3.30, а более глубокий
малый дефект "просвечивает" сквозь
большой дефект. Тем не менее, дефекто-
метрия в таких случаях затруднительна,
поскольку сигналы зачастую находятся на
уровне шума. Строго говоря, сигнал от
двух тонких дефектов, расположенных
один под другим, ведет себя слегка иным
образом, нежели сигнал от одного дефектадвойной толщины, однако эксперимен¬
тально возможность разделения таких де¬
фектов не была продемонстрирована. Что
касается второго случая на рис. 3.30, б, то
оба дефекта могут быть оценены количе¬
ственно, за исключением части большого
дефекта, затененной малым дефектом.3.9. ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫОБНАРУЖЕНИЯ. ПРИМЕРЫВыше отмечалось, что одной из ос¬
новных целей теоретического анализа яв¬
ляется оптимизация параметров экспери¬
ментальных процедур. В оптимальной
процедуре испытаний дефект должен соз¬
дать максимальное значение выбранного
информативного параметра в определен¬
ный момент времени. В табл. 3.7-3.9 опи¬
саны 3 конкретных примера тепловых ис¬
пытаний, которые иллюстрируют многие
из вышеописанных особенностей ТК. На¬
ряду с оптимальными параметрами обна¬
ружения дефектов приводится максималь¬
ная избыточная температура нагреваемой
поверхности в конце нагрева (для приня¬
тых значений поглощенной мощности).В углепластике поперечные размеры
практических дефектов слабо влияют на
значения ДТ и С, по крайней мере, в тон-
fОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОБНАРУЖЕНИЯ1053.7. Оптимальные параметры обнаружения воздушных дефектов
в композиционном материале(углепластик: а = 5,2 • 10'7 м2/с, X = 0,64 Вт/(м • К);
воздух: а = 5,8 • 10'5 м2/с, X = 0,07 Вт/(м • К))Толщина
изделия L, ммГлубина
дефекта /, ммРадиус
дефекта rd ,
ммТолщина
дефекта с/, ммМаксималь¬
ный контрасту^гипОптимальное
время на¬
блюдения/ пт ч
^тКратковременный нагрев (т/, = 0,01 с; 7max ~ 1 1,3 °С ДЛЯб= 105ВТ/М2)10,2550,050,500,270,100,840,36100,050,500,270,100,840,360,5050,050,220,500,100,360,57100,050,220,500,100,360,570,7550,050,0770,690,100,130,83100,050,0770,690,100,130,8320,5050,050,280,770,100,491,00100,050,280,770,100,501,011,0050,050,131,730,100,221,92100,050,131,730,100,221,941,5050,050,0422,450,100,0762,69100,050,0422,460,100,0772,7251,2550,050,123,400,100,223,85100,050,123,620,100,224,002,5050,050,0478,700,100,0869,10100,050,0549,700,100,1010,33,7550,050,01412,540,100,02612,98100,050,01814,130,100,03414,75
%106 Глава 3 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХ *3.8. Оптимальные параметры обнаружения коррозии в стали
(сталь а = 7,3 Ю^кг/с, Х = 32Вт/(м К))Толщина
изделия L,
ммУнос
материала, %Радиус дефекта
rd, ммМаксимальный тем¬
пературный контраст/nr runОптимальное время
наблюденият„(сг).сКратковременный нагрев (т* = 0,01 с, Т,8,4 °С для Q - 106 Вт/м2)*19058,790,11108,890,15208,890,155050,990,14101,000,19201,000,191050,110,16100,110,22200,110,2359054,560,61104,781,23208,512,055050,581,06100,891,57200,992,511050,0551,49100,0971,97200,112,96109052,240,86104,682,42207,524,735050,243,14100,584,26200,896,251050,0174,70100,0535,51200,0937,82Длительный нагрев (т/, =■ 5 с)
ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОБНАРУЖЕНИЯ107Продолжение табл. 3.8Толщи¬УносРадиус де-Максимальный тем¬Оптимальное времяна изде¬материала, %фекта rd,пературный контрастнаблюдениялия L,ММfirunт«(с™)*смм\т /Нагрев гармоническими тепловыми волнами ***9058,600,26(/= 4 Гц)108,780,26208,780,265050,197,3410(f= 0,14 Гц)100,507,59200,7214,691050,01310,43(/•= 0,1Гц)100,04310,93200,07311,26♦Максимальная избыточная температура изделия в конце нагрева слабо зависит от толщи¬
ны изделия.**Квазиоптимальная частота для обнаружения конкретного дефекта.3.9. Оптимальные параметры обнаружения коррозионного уноса
материала в алюминии (А1: а- 8,6 • 10'5 м2/с, X = 210 Вт/(м • К))Толщина изделияУносРадиусМаксимальныйОптимальноеL, ммматериала, %дефекта rd, ммтемпературныйвремяконтраст С™янаблюденият„(СЯ).с
108 Глава 3 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХЗЛО. Оптимальные параметры обнаружения протяженных воздушных дефектов в
различных материалах при кратковременном и длительном нагревахL,НагревОптимальные параметры обнаруженияммА1СтальБетонУглепластикстfa, с)дги,°сfa, с)стСи, с)дгя,°сfa, с)стfa, с)Д^/С
fa, с)Ст
fa, с)дгя,°сfa, с)т* = 0,01 с8,73,607,81,92,802,801,653,7010= 105 Вт/м2(0,015)(0,012)(0,06)(0,04)(0,20)(0,08)(0,13)(0,05)тл = 100 с7,7325,15,918,51,9124,81,1024,50= Ю4 Вт/м2(0,05)(98)(0,15)(ЮО)(0,4)(80)(0,36)(50)та = 0,01 с8,70,727,80,382,720,561,610,7350= 105 Вт/м2(0,3)(ОД)(1,5)(0,6)(5)(U2)(3,1)(1Д)х/,= 100 с7,6254,15,9654,01,8552,21,0549,70= 104Вт/м2(1Д)(75)(6)(100)(10)(55)(8)(50)тА = 0,01 с8,80,0727,14*0,035*2,10,0491,280,06500= Ю5 Вт/м2(18)(Ю)(80)(25)(200)(ЮО)(130)(90)тА= 100 с7,9965,77,3536,02,2148,41,3057,10= 104Вг/м2(111)(101)(200)(120)(320)(160)(250)(150)* Приближенные значенияПримечание. Глубина залегания дефекта/- 10 % L, толщина дефекта d= 10 % L
ТФХ материалов Al - X = 210 Вт/(м К), а = 8,6 10'5 м2/с, сталь X = 32 Вт/(м К), а = 7,3 10"6
м2/с, углепластик X = 0,64 Вт/(м К), а = 5,2 10'7 м2/с, бетон X = 1,5 Вт/(м К), а = 7,5 10'7 м2/с:
воздух X = 0,07 Вт/(м К), а = 5,8 10'5 м2/с, коэффициент теплообмена на обеих поверхностя:
а = 10 Вт/(м2 К), программа Multilayer-3ких изделиях (табл 3 7) Оптимальное
время наблюдения, в основном, определя¬
ется глубиной залегания дефектов, тогда
как температурные контрасты зависят как
от глубины, так и от толщины дефектов
При выявлении коррозии на задней
поверхности изделий из стали и алюминия
(табл 3 8 и 3 9) глубина дефекта и еготолщина выражаются уносом материала,
однако процедуры ТК сохраняют свои
классические особенности поперечные
размеры дефектов влияют главным обра¬
зом на температурные контрасты, но не на
оптимальные времена наблюдения Дан¬
ные табл 3 8 также доказывают, что все
три распространенных метода ТК (им¬
РАЗВИТЫЕ МОДЕЛИ ТК109пульсный, ступенчатый и гармонический
нагрев) обеспечивают близкие значения
параметров обнаружения, что является
отражением общности физических прин¬
ципов ТКСледует заметить, что данные
табл. 3 7 и 3 8 (кратковременный нагрев)
хорошо описываются формулой инверсии
(241), которая может быть также выраже¬
на через текущий контрастAL С™
LСт = ШЬ (3 70)
1-ALILВ выражениях (3 70) отсутствуют
ТФХ объекта контроля, что делает данный
подход весьма общим Для трех значений
уноса материала (90 %, 50 % и 10 %),
представленных в табл 3 8 и 3 9, соответ¬
ствующие значения текущего контраста
равны 9, 1 и 0,11 соответственно, что
близко к табличным значениям, получен¬
ным численным методомВ табл 3 10 приведены сравнитель¬
ные оптимальные параметры обнаружения
протяженных (одномерных) воздушных
дефектов в различных материалах при
кратковременном и длительном нагревах
Данные таблицы могут быть использова¬
ны для ориентировочного прогнозирова¬
ния возможностей ТК материалов с раз¬
личной теплопроводностьюЗЛО. РАЗВИТЫЕ МОДЕЛИ ТКВсе модели ТК, приведенные выше,
можно считать классическими в том смыс¬
ле, что особенности пространственного
распределения и временного развития
сигнала АТ в зависимости от параметров
этих моделей изучены достаточно хорошо,
и многие из них практически используют¬
ся в алгоритмах дефектометрии (см главу4). Дальнейшее углубление теоретических
моделей связано 1) со специфическими
задачами, в которых действуют другие
факторы, влияющие на обнаружение де¬
фектов (например, движение влаги в почве
и ее испарение на поверхности могут су¬
щественно изменять величину АТ над ми¬нами), 2) с анализом тонких эффектов,
которые не играют решающей роли для
обнаружения, но сказываю гея на физиче¬
ском механизме контроля (например, ани¬
зотропия композитов приводит к искаже¬
нию формы АТ на поверхности), 3) с
объединением чисто тепловых эффектов в
объекте контроля с особенностями термо¬
графической регистрации температуры
(например, связь угла зрения ИК-системы
с индикатриссой коэффициента излуче¬
ния), и т пДля учета вышеперечисленных фак¬
торов в последнее время разрабатывают
так называемые развитые (advanced) мо¬
дели ТК, в которых анализируют следую¬
щие феномены• произвольную зависимость плот¬
ности потока нагрева от времени и коор¬
динат Q(x,y,z,т),• анизотропию ТФХ изделия и из¬
менение ТФХ во времени,• фазовые превращения и массоопе-
ренос в объекте контроля,• шероховатость нагреваемой по¬
верхности,• конвективную и радиационную те¬
плоотдачу как функцию времени,• зависимость коэффициента излу¬
чения от состояния объекта и угла зрения
тепловизораАнализ развитой модели ТК рассмот¬
рен ниже на примере обнаружения проти
вопехотных и противотанковых мин в
грунте (см рис 3 33) Номенклатура таких
мин весьма широка, однако в теоретиче¬
ских моделях чаще всего их имитируют
однородным диском, расположенным в
почве на глубинах от 1 до 15 см Почва
нагревается солнечным излучением, су¬
точный ход которого моделируют функ¬
цией (2 66) б(т) = бо[1 - cos(cdt)], где
циклическая частота связана с суточным
изменением солнечной освещенности (со =
= 2я/24 ч)Большинство исследователей пола¬
гают, что обнаружение мины с помощью
тепловизора возможно благодаря локаль¬
ному возмущению ТФХ почвы, которое
110 Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХСолнцеПоверхностная
влагаПочвеннаявлагаа)б)Рис. 331. Модель ТК мин, заглубленных в почве:
а - схема контроля и граничные условия на поверхности почвы; б-дискретизация
пространственной сетки на поверхности (моделирование шероховатости)Г,° СРис. 332. Изменение температурных сигналов при обнаружении
дискообразной безоболочной мины в почве на глубине 1 см (Qm = 500 Вт/м2; г«/= 10 см;
d= 10 см; /= 1 см; ТФХ почвы и тринитротолуола см. в табл. 2.2)
РАЗВИТЫЕ МОДЕЛИ ТКш3.11. Оптимальные параметры обнаружения мин в грунте(классическая модель; безоболочная мина из тринитротолуола;
ТФХ материалов см. в табл. 2.2)Параметры моделиОптимальные параметры обнаружения*МатериалДиаметр
мины, смТолщина
мины, смГлубина
залегания, смАТт,°С**Тт, Ч***Почва511+1,00***5+0,2+1.010+0,03+2,0101+1,5+0,55+0,3+1,2510+0,05+2,52011+2,605+1,1+1,2510+0,4+2,75101+4,4+0,755+1,8+2,010+0,6+3,5Песоксухой511+0,33+2,85+0,034+5,010+0,0023+7,2101+0,60+3,65+0,061+5,610+0,0046+8,22011-0,54+0,58-1+5,35-0,15+0,13+1+7,810-0,036+0,023+3,5+14101-1,36+0,84+0,3+75-0,41+0,21+2,3+12,510-0,10+0,053+5,0+21,3Песоквлажный20101+8,68-0,92+1+11,55+2,69+3,310+0,75+6,3* В ряде случаев в таблице приведены температурные сигналы обоих знаков (в частности
для сухого песка, имеющего ТФХ, близкие к тринитротолуолу), возникающие в течение суток.** Знаки + и-означают, что зона над дефектом соответственно теплее или холоднее окру¬
жающих участков.*** Знаки + и - означают, что время максимального сигнала наступает соответственно
позже или раньше максимума солнечного излучения. **** С точностью до шага расчета.
112 Глава 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХ500Q, Вт/м2ti I I ill 1 ITamb-TqrCOnSlаг-10 BT/(M2K>=-constо500Q, Вт/м2а\ Вт/(м2*К.)I ill 111111r„rt=r«=const»)302010012 18 Время, ч1218 Время, ча)б)500£?, Вт/м2wcI » | r г i-tt it xti—t | |»а “10 Bi/(m2- K)^constTomb10 500Q, Bt/m}T^CIIIП12 18 Время, чв)Q4 Вт/м21 | I T'TT II I I I I I I Ia -10Bi/(M2*K)=constTatnb©101218 Время, чг)Таты °C700ТТТЩ1aF= 10 Вт/(м" K>=constTambv)1012OJ18 Время, чРис. 333. Профили нагрева при обнаружении мин в почве:
а - нагрев лучистым потоком (солнечная инсоляция в безоблачный день; максимум инсоляции в12-00 ч дня); б - моделирование возрастания скорости ветра, начиная с 12-00 ч; в - совместный
нагрев лучистым потоком и изменяющейся температурой среды; г- совместный нагрев
лучистым потоком и изменяющейся температурой среды (солнце за облаками: лучистый поток л
равен нулю с 13-00 до 14-00 ч); д - совместный нагрев лучистым потоком и изменяющейся темпе'
ратурой среды (включение дополнительного источника: лучистый поток увеличен на 500 Вт/м2"с 15-00 до 16-00ч)
РАЗВИТЫЕ МОДЕЛИ ТК1133.12. Результаты численного моделирования ситуаций,
возникающих при обнаружении мин в почве
(диаметр мины 20 см; толщина 10 см; ТФХ почвы и тринитротолуола см. в табл. 2.2;
профили нагрева см. на рис. 3.33; программа ThermoHeat-3D Pro)Ситуация1-рис. 3.33, аОптимальные параметры обнаруженияГлубина залегания 5 смАГЯ,°С4,26ч*(сдвиг относительно
максимума солнечной
инсоляции при 12-00 ч)1Глубина залегания 10 смДГ’С1,61т«,ч*(сдвиг относительно
максимума солнечной
инсоляции при 12-00 ч)П-рис. 3.33, б3,921,20* Ш-рис. 3.33, в4,551,58IV-рис. 3.33, г4,21Д1^V-рис. 3.33, д4,81,64♦С точностью до шага расчета по времени, равного 15 мин.возникает при внесении мины в почву.
Это доказывается четко фиксируемым в
экспериментах суточным ходом АГ, что
хорошо согласуется с простейшей моде¬
ли ТК. Однако, термографический кон¬
траст в месте расположения мины зависит
не только от температуры, но и от измене¬
ния коэффициента излучения почвы, обу¬
словленного ее разрыхлением и изменени¬
ем'влажности. Дополнительным фактором
двляется наличие растительности, которая
заменяет истинную температуру поверхно¬
сти почвы.3.10.1. Классическая модель обна¬
ружения мин в грунте. Пусть требуется
Обнаружить в почве противопехотные
безоболочные мины на основе тринитро¬
толуола. Классическая двухмерная модель
ТК в цилиндрических координатах позво-получить зависимости сигнала АТ от
’Бремени, глубины залегания, размеров
**Шны, ТФХ и неровностей почвы (см.
фйс. 3.31 и табл. 3.11). Вследствие более
"низкой интегральной теплопроводности
'"тринитротолуола по сравнению с типич-
тьши почвами, в дневное время над минойимеет место локальное повышение
температуры, т.е. АГ > 0, достигая почти
АТт ~ 5 °С в середине дня (рис. 3.32). Для
неглубоко залегающих мин в ночное вре¬
мя может иметь место инверсия А Т, когда
участок почвы над миной характеризуется
пониженной температурой. Как следует из
табл. 3.11, в простейшей модели обнару¬
жения мин наиболее сильным фактором,
влияющим на АТ, является глубина зале¬
гания мины /.3.10.2. Развитая модель ТК (на
примере обнаружения заглубленных
мин). Пусть безоболочная мина из три¬
нитротолуола диаметром 20 см находится
в почве на двух глубинах: 1 и 5 см. Раз¬
личные виды типов и профилей на]рева
изображены на рис. 3.33. Отсчет времени
ведется от 6-00 ч утра (соответствует 0 ч
на рис. 3.33); максимум солнечной инсо¬
ляции приходится на 12-00 ч дня. Для
численного анализа использована про¬
грамма ThermoHeat-3DPro (фирма "Инно¬
вация", Россия), в которой все параметры
модели можно задавать в табличной фор-
114 Глава 3 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХме как функцию времени Результаты мо¬
делирования приведены в табл 3 12Профиль I моделирует нагрев коси¬
нусоидальным импульсом, который про¬
анализирован в предыдущем параграфе
(полная поглощенная энергия в течение 12
часов равна 3 кВтч/м2) Сравнивая данные
табл 3 11 и табл 3 12 видно, что опти¬
мальные параметры обнаружения весьма
близки (различия объясняются отклоне¬
ниями ступенчатого профиля нагрева от
гладкого и тем, что в программе Thermo-
Heat-3 DPro возможно моделировать де¬
фекты прямоугольной формы в огличие от
дискообразных дефектов в программе
ThermoCalc-2D)Влияние ветра. В рамках принятой
модели изменение скорости ветра может
бьпь сведено к изменениям коэффициента
теплообмена а(т) Пример временного
профиля II коэффициента теплообмена
изображен на рис 3 33, б смоделировано
увеличение интенсивности теплоотдачи,
начиная с 12-00 ч, с 10 до 30 Вт/м2К, что,
согласно формуле (2 7), может быть след¬
ствием увеличения скорости ветра с 2 до11 м/с Очевидно, что усиление теплоот¬
дачи с поверхности снижает сигнал от
заглубленных мин В особенности, этот
эффект характерен для мины, располо¬
женной на глубине 5 см, поскольку увели¬
чение а произошло в период ее оптималь¬
ного проявленияСовместный нагрев солнечным из¬
лучением и средой. До сих пор мы рас¬
сматривали нагрев объекта контроля теп¬
ловым потоком мощностью Q9 причем
начальная температура Го была равна тем¬
пературе окружающей среды Таты а гра¬
ничное условие имело вид уравнения
(3 43)OZНетрудно показать, что если темпе¬
ратура среды изменяется, то это эквива¬
лентно поступлению дополнительной
энергии, которая будет нагревать тело,если Топь > То и охлаждать его, если
Тать < То В частности, при тепловом обна¬
ружении мин температура воздуха под¬
вержена суточным колебаниям, а солнеч¬
ный поток существенно зависит от облач¬
ности В таком случае следует рассматри¬
вать произвольную функцию нагрева
солнцем и средой в видеаг,(г = 0,т) g(x) aF
& Я.|xT’«wA(x)+^-r((z = 0,т)Л,(3 71)Профиль III моделирует такой ком¬
бинированный способ нагрева, причем
рост температуры среды происходитотносительно начального момента, за ко¬
торый принято 6-00 ч утра Поскольку
даже в момент максимальной температу¬
ры среды (рост на 8 °С в период с 13-00 до14-00) эквивалентный дополнительный
поток равен только а* = 80 Вт/м2, т е.
существенно меньше основного лучистого
потока, приращение температурного сиг¬
нала вследствие дополнительного подог¬
рева окружающей средой незначительно
(см табл 3 12)Уход солнца за облака. Пример су¬
точной функции нагрева, моделирующей
кратковременный уход солнца за облака (с13-00 до 14-00 ч), показан на рис 3 33, г
Опрофиль IV) Из данных табл 3 12 видно,
что даже столь существенный спад инсо¬
ляции слабо влияет на температурные
сигналы над заглубленными минами, по¬
скольку основная мощность пих сигналов
обусловлена солнечной энергией, погло¬
щенной в течение первой половины дня
Нагрев с помощью дополнительно¬
го источника. В рамках модели с произ¬
вольным нагревом возможен анализ воз¬
можности улучшения выявляемое™ мин
путем использования искусственного ис¬
точника нагрева функция нагрева для это¬
го случая изображена на рис 3 33, д (про¬
филь К, мощность лучистого потока с
РАЗВИТЫЕ МОДЕЛИ ТК11515-00 до 16-00 ч увеличена на 500 Вт/м2).
Как и следовало ожидать, улучшение вы-
являемости заглубленного объекта насту¬
пает спустя некоторое время после вклю¬
чения источника, что в рассмотренном
случае приводит к возрастанию временной
задержки. Величина стимулированного
дТ зависит от мощности источника и в
случае профиля V возрастает на 3 ... 5 %.
Очевидно, что столь малое повышение
сигнала связано с неоптимальным време¬
нем включения дополнительного источни¬
ка, использование которого более эффек¬
тивно при малых А Т.Неровности почвы. При обнаруже¬
нии температурных отпечатков заглуб¬
ленных мин существенную помощь опера¬
тору в идентификации мины оказывает ее
правильная геометрическая форма, кото¬
рая в идеальном случае однородного фона
может искажаться только, если тепловизор
визирует поверхность под углом, отлич¬
ным от нормального (рис. 3.31, а). Однако
в реальных ситуациях неровности почвы
изменяют как глубину залегания дефекта,
так и количество поглощаемой энергии,
причем последняя изменяется по мере пе¬
ремещения солнца по небосклону; напри¬
мер, многочисленные впадины сопостави¬
мых с миной размеров создают на термо-
граммах многочисленные температурные
сигналы, которые могут быть интерпрети¬
рованы как сигналы от мин Численное
моделирование произвольной шерохова¬
тости почвы с помощью метода конечных
элементов описано И. Сендуром и Б. Барт-
лейном [32] (см рис 3 31,6)Влажность почвы. Влияние изме¬
няющейся влажности почвы на выявляе-
мость заглубленных в почву предметов
существенно, но не изучено исчерпываю¬
щим образом, поскольку зависит от ком¬
бинации нескольких факторов, которые
могут действовать на АТ противополож¬
ным образом, а именно: 1) как правило,
осадки имеют температуру ниже темпера-
Чфы поверхности почвы, что приводит к
снижению и выравниванию температурыповерхности после их выпадения; 2) на¬
личие в почве влаги изменяет ее ТФХ;3) испарение влаги на поверхности почвы
изменяет баланс тепловых потоков;4) влажная почва изменяет свой коэффи¬
циент поглощения (излучения).Приблизительно можно считать, что
в первые моменты времени после начала
дождя, температура поверхностного слоя
почвы становится близкой к температуре
выпавшей воды, и температурные отпе¬
чатки заглубленных предметов полностью
"смазываются”.Во многих случаях наличие влаги
увеличивает теплопроводность пористой
среды, тогда как зависимость температу¬
ропроводности почвы от влажности мо¬
жет иметь выраженный экстремум Влия¬
ние влажности почвы на величину темпе¬
ратурных контрастов зависит оттого, как
она влияет на отношение ТФХ заглублен¬
ного предмета и почвы. Так, для тринит¬
ротолуола во влажном песке температур¬
ный сигнал, по сравнению с сухим песком,
изменяет знак (точнее, последователь¬
ность наступления сигналов обоих зна¬
ков), и возрастает по модулю в несколько
раз благодаря существенному увеличе¬
нию теплопроводности песка при его
увлажнении (см. табл. 3.11).Испарение влаги на поверхности
почвы снижает эффективный тепловой
поток, уходящий вглубь почвы и обуслов¬
ливающий формирование АТ над заглуб¬
ленным сигналом. Анализ нагрева влаж¬
ного тела окружающей средой, выполнен¬
ный А.В. Лыковым [5], показал, что в слу¬
чае постоянной скорости испарения дей¬
ствие испарения эквивалентно снижению
температуры среды на величину АТатЬ,зависящую от давления, влажности и тем¬
пературы среды В рамках обсуждаемой
модели ТК это означает введение в пра¬
вую часть граничного условия (3.71) теп¬
лового потока испарения Qevap = aFATamb,который действует со знаком, обратным
знаку основного потока нагрева Q. Вели¬
чины АТатЬ можно найти из психромет¬
116 Глава 3 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУРАХрических таблиц. Поверхностное испаре¬
ние влаги тем сильнее снижает темпера¬
турные сигналы над заглубленными объ¬
ектами, чем меньше стимулирующий теп¬
ловой поток, ниже влажность воздуха и
выше температура среды.Влияние влажности на изменение ко¬эффициента излучения представляется
эффектом второго порядка, поскольку
действует сразу на большие участки поч¬
вы. Наконец, более тонкие эффекты связа¬
ны, например, с преимущественным нако¬
плением влаги в слое почвы непосредст¬
венно над миной.
Глава 4ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СКРЫТЫХ
ДЕФЕКТОВ (ТЕПЛОВАЯ ДЕФЕКТОМЕТРИЯ)Обратные задачи ТК дефектов можно
свести к определению функции распреде¬
ления ТФХ в изделии, например, функции
X(x,y*z)- В настоящей главе будет рас¬
смотрена идентификация (retrieving, iden¬
tification, inversion) размеров {hx,hy9d} иглубины залегания {/} внутренних де¬
фектов путем решения обратной задачи:{hx,hy,d,l} = {T(x,y,z)}-\ (4.1)которая следует из более общей обратной
задачи (2.33), если в качестве исходной
информации рассматривать нестационар¬
ную поверхностную температуру
Т(х,у,х).* Очевидно, что алгоритмы решения од¬
номерных обратных задач позволяют вос¬
становить только значения {*/,/}, тогда
как оценка поперечных размеров дефектов
{hx,hy} требует анализа пространственнойдиффузии тепла, т.е. решения многомер¬
ных задач теплопроводности.Существует несколько способов по¬
строения алгоритмов идентификации де¬
фектов. В главах 2 и 3 показано, что непо¬
средственная инверсия прямых решений,
как правило, невозможна. Достаточно
корректные решения можно получить,
рассматривая невязку функционала, обра¬
зованного экспериментальными данными
й соответствующим теоретическим реше¬
нием, что приводит к необходимости оты¬
скивать глобальный экстремум функцио¬
нала в многомерном пространстве пара¬
метров ТК. На практике наиболее простые
решения обратных задач ТК получают
путем инверсии численных результатов
решения прямых задач и их аппроксима¬
ции теми или иными формулами. Приэтом решения прямых задач могуг быть
как аналитическими, так и численными.
Вид функций инверсии зависит от фанта¬
зии исследователя, хотя ряд общих указа¬
ний можно почерпнуть из решений пря¬
мых задач. Численные коэффициенты в
формулах инверсии получают, используя
метод наименьших квадратов. Соответст¬
вующие опции имеются во многих стан¬
дартных математических пакетах, таких
как Mathematica, MatLab и др.4.1. ДЕФЕКТОМЕТРИЯ НА ОСНОВЕ
АНАЛИЗА ТЕМПЕРАТУРНОГО
ОТКЛИКА НА ПЕРЕДНЕЙ
ПОВЕРХНОСТИ ПЛАСТИНЫ
ПОСЛЕ ИМПУЛЬСНОГО НАГРЕВА4.1.1. Метод "кажущейся” тепло¬
вой инерции (нагрев импульсом Дира¬
ка). Метод "кажущейся" тепловой инер¬
ции, описанный в п. 3.2.4, основан на том,
что тепловая инерция полуограниченного
тела, подвергнутого импульсному тепло¬
вому воздействию, в любой момент вре¬
мени может быть определена по формуле(2.35): e-W/[T(x*)^nx*]. Аналогичная
формула справедлива и для пластины, ес¬
ли Fo< 0,1.В случае однородного тела тепловая
инерция, определенная по (2.35). не зави¬
сит от времени, поэтому возможные от¬
клонения экспериментального значения е
от эталонного значения следует тракто¬
вать как наличие в теле областей с неод¬
нородными ТФХ [6,33-34].Кривую изменения поверхностной
температуры во времени строят в коорди¬
натах "In (Т)-1п (т)", В идеальном случае
однородного адиабатического полубеско-
нечного тела это должна быть прямая ли¬
118Глава 4 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВа)б)Рис. 4.1. Метод "кажущейся" тепловой инерции:
а - изменение поверхностной температуры изделия после импульсного нагрева
(I - однослойное изделие, 2 - двухслойное изделие с идеальным тепловым контактом,3 - двухслойное изделие с дефектом между слоями), б - изменение экспериментального значения
тепловой инерции для изделия из углепластика с двумя фторопластовыми вставками размером20 л 20 ммния (кривая 1 на рис 4 1, а) На практике
конечная длигельносгь импульса, конеч¬
ная толщина изделия и потери тепла в ок¬
ружающую среду искажают прямолиней¬
ный вид температурной функции (см по¬
ведение кривой 1 на рис 4 1, а в конце
процесса) Двухслойное изделие с идеаль¬
ным тепловым контакгом между слоями
характеризуется кривой 2, тогда как нали¬
чие внутреннего дефекта приводит к кри¬
вой 3 (рис 4 1,а)С целью исключить влияние возму¬
щающих факторов рассматривают безде¬
фектную (эталонную) зону с тепловойинерцией end Тогда отношение текущего
значения тепловой инерции к эталонному
ele^j выражается прямой линией, парал¬
лельной оси времени везде, кроме дефект?
ных участков Пример экспериментальны*
данных приведен на рис 4 1,6 В полном
соответствии с теорией, изложенной в
главе 3, чем глубже дефект, тем позже
возникает соответствующее искажение
функции e!end и тем меньше амплитудаэтого искажения Дефект можно характер
ризовать двумя безразмерными параметр
рами B\d = l/(XRd) и ¥od = ах!I1 Каждому
ДЕФЕКТОМЕТРИЯ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ТЕМПЕРАТУРНОГО ОТКЛИКА 119дефекту с теплопроводностью ниже теп¬
лопроводности основного материала на
кривой е/е^(т) соответствует точка с
координатами Fo*™ и (e/end)mm, которые
связаны с параметрами дефекта следую¬
щими формулами(e/<w)mm =Fo^,Fodnm = l + 0,62BrfФормулы для определения глубины за¬
легания и теплового сопротивления де¬
фекта предложены в следующем виде^ = V^niin (^^«/) min *Rd =(1,161 /e,ri)jt^(e/e„dfj£ х
x[(^^)m,’n9-l] (4 3)Очевидно, чго точка минимального
значения (e/end)mm соответствует макси¬
мальному температурному сигналу АТт врамках теории, рассмогренной в главе 3,
поэтому решение обратной задачи ТК в
виде (4 3) может быть также получено для
времени т]/2 или других характерныхвремен теплопередачиОписанный метод был использован для
идентификации дефектов в углепластике
Потрешность метода оценена на уровне
20% по глубине залегания дефектов и
40 % по их толщине [33-34]Формулы (4 3) были уточнены Ж Кра-
пэ и Д Балажа [35], которые рекомендо¬
вали оценивать параметры дефектов по
следующим простым формулам^ = V^z^min ^mrn ’ (4 4)
Rd = 0,0286—(С™и)° w+ownLoguC?? 'где инвертированный относительный
контраст определен как Cmv=Tnd/TdФормулы (4 4) являются более общи¬
ми, нежели (4 3), однако и они справедли¬
вы только для одномерных дефектов, да¬леко отстоящих от задней поверхности
изделия4.1.2. Использование ранних времен
наблюдения. Термин "раннее время на¬
блюдения" (early detection method) был
предложен группой Д Балажа для опреде¬
ления момента времени, когда темпера¬
турный сигнал ДГ(т) начинает превы¬
шать уровень шума (см также пп 1 3 и5 2) Очевидно, что отношение сиг¬
нал/шум при этом ниже, чем в момент
оптимального наблюдения, но форма
скрытых дефектов воспроизводится более
точно вследствие слабой объемной диф¬
фузии тепла Кроме того, тепловое сопро¬
тивление (юлщина) дефектов при ранних
временах наблюдения практически не
влияет на поверхностную температуру в
дефектной зоне, поэтому метод раннего
времени наблюдения приюден для оценки
глубины залегания дефектов [35]1 = ^агх(сгип)\п(2/спт) . (45)где х(Сгмл) - момент времени, когда реги¬
стрируют контраст Сш Ошибка опреде¬
ления / по формуле (4 5) не превышает4 % для дефектов с высоким тепловым
сопротивлением Rd Точность инверсии
тем выше, чем раньше регистрируют раз¬
личие между дефектным сигналом и без¬
дефектным уровнем Фактически авторы
предлагают применять формулу (4 5) для
сигналов, величина которых начинает
превышать уровень шума, в часгности,рекомендуется выбирать Стп -1 3%Для дефектов с низким значением Rd
предложена другая формула инверсииС™ = 200 ехрГ- l/Fo*]fl 2Fo* 1,n \ R*+2Fo*)(4 6)где Fo* = az т//2, R* = Rd XJl Поскольку
выражение (4 6) содержит R * в неявном
виде, его следует использовать в итера¬
120Глава 4 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВтивном процессе совместно с формулой
(4 4) для Rj Наилучшая точность (-2 %)была получена для низких значений кон¬
траста4.1.3. Дефектометрия тонких теп¬
лопроводных образцов при импульсном
нагреве. Ф Делпеш и др предложили
следующую аппроксимацию температуры
передней поверхности двухслойной пла¬
стины с резистивным дефектом в случае
тонких теплопроводных изделий, нагре¬
ваемых импульсом Дирака [21]7’^(х) = р1с>-р’+р3^ (4 7)Вариационныи анализ показал, что
коэффициенты р, и |3>, в основном опре¬
деляемые первым корнем трансцендент¬
ного уравнения (2 51), слабо зависят от
параметров внутренних дефектов, причем
параметр р2 связан с интенсивностью
теплоотдачи а Коэффициенты р3 и р4,определяемые вюрым корнем трансцен¬
дентного уравнения, связаны соответст¬
венно с глубиной залегания дефекта / и
ею тепловым сопротивлением Rd Осо¬
бенности итеративной оценки коэффици¬
ентов р в данном алгоритме описаны в
п 464.2. "ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ"
ФУНКЦИИ ИНВЕРСИИВП Вавилов с соавторами предло¬
жили способ решения обратных задач ТК,
основанный на аппроксимации набора
численных решений прямых задач поли¬
номиальными функциями [36] Термин
"индивидуальный" означает, что анализи¬
руют ограниченный кру] материалов и
процедур их испытаний (в идеальном слу¬
чае, один ма1сриал и одну выбранную
процедуру испытаний) Очевидно, что та¬
ким образом можно обеспечить наивыс¬
шую точность инверсииВ частности, для идентификации па¬
раметров воздушных расслоений в угле¬
пластике толщиной 5 мм предложены сле¬
дующие формулы инверсии/ = -0,005 + 0,177тя[»]+0,00424т;,,“10,487d = 0,0162s^norm
т l-exp(-rrf/6)-il,363l-exp^M)(4 8)где /, r, d выражены в мм В (4 8), в отли¬
чие от (4 3-4 6), использован не текущий,а нормализованный контраст Спогт (см
табл 1 1), максимум которого совпадает с
максимумом АТ Использование Спогт
обусловлено тем, что в импульсных про¬
цедурах ТК часто используют операцию
нормализации экспериментальных дан¬
ных, которая позволяет снизить влияние
неравномерности нагрева (см н 5 11)Для изделий из углепластика по¬
грешность инверсии составляет - 5 % по /
и ~25 % по тем не менее ограничен¬
ность формул (4 8) очевидна Кроме того,
в выражение для толщины расслоений
введены их поперечные размеры, которые
должны быть оценены дополнительно
Тем не менее, для расслоений в углепла¬
стике, представляющих практический ин¬
терес (А > 10 мм), экспоненциальным чле¬
ном можно пренебречь, придя, таким об¬
разом, к одномерному случаю4.3. ОБОБЩЕННЫЕ ФОРМУЛЫ
ИНВЕРСИИВ программе ThermidgePro (фирма
"Инновация", Россия) формулы инверсии
предложены для объектов контроля, на¬
греваемых прямоугольным импульсом
произвольной длительности Вид формул
зависит от используемого информативно¬
го параметра, а также от того, внутри или
за импульсом нагрева находится экстре-'
мум выбранного параметраВнутри импульса нагрева (х < хл ) для ;
текущего контраста температурыI[м] = 0,4066(ахт)0'4885(1-Л.,,/X)0,1903X Г
xfi/x)0’07884 Fo%'t208 с;,"-2869, ;-» Min
УПРОЩЕННЫЕ ФОРМУЛЫ ИНВЕРСИИ121Rd [м2 КВ~'] = 1,2390 (а Тд,)0,4041 хx(l-Xd/Л.)-0*04380 (L/А,)0’1193 хv *7» —0,1681 /пгО 2255
xr°h ,дня нормализованием о контраста
темпдэатуры/ [jw] = 0,1694(а тт )0,4937 (1 -xd /Я.)03591 хx(L/\)°-2mFo0h4lvC£™,(49)Rd [jw2 КВ'1] = 1,9106 (а тт)0,4208 хx(l-Xd/X) 0,1341 (L/X)'„ г* -0 002878 /щ-0.01405
X гОн Сиv0,2222За импульсом нагрева ( т ^ тл ) для
текущего контраста температуры/[«] = 0,7076[а(ти-т*)]°-4564хх(1 -Xd/Х)°~т (L/Х)0'05359 х0,05227 ^«-0,1511xFo[Rj[m2 КВГ1\- 43682[а(тм -xh )]0M32 x
x (1 - / A,)1,2647 (L / A,)01862 xxFo■0 05300r0,4256I M/I *"h ~tunдля нормализованного контраста
температуры1[м] = 0,1694(атя)°4937 (1 -Xd /X)v 0,3591 ,0,2699 и 0 4137 /Г.-01269x(L/X) ’ Fol Clnorm *Универсальность формул (4 9) состо¬
ит в том, что они справедливы для любых
материалов и процедур импульсного ТК4.4. УПРОЩЕННЫЕ ФОРМУЛЫ
ИНВЕРСИИ4.4.1. Определение глубины зале! а-
ния и теплового сопротивления дефек¬
та, расположенного между двумя высо¬
котеплопроводными пластинами. Пусть
дефект представляет собой резистивный
слой, расположенный между двумя высо¬
котеплопроводными пластинами толщи¬
ной /| и /2 Метод тепловой дефектомет¬
рии, предложенный в Управлении по аэ¬
ронавтике Франции (ONERA), основан на
предположении, что в любой момент вре¬
мени температура в каждой точке пласти¬
ны одинакова вследствие высокой тепло¬
проводности пластин, то!да как основной
температурный градиент имеет место в
дефектном слое [34J Температура перед¬
ней поверхности адиабатического изделия
после воздействия импульса Дирака равна
WT(z = 0,т) = хC,|Pi/1+C2p2/j|х[1 +£г£=Лехр( -C|P|/i+L’2P2/2X)1,
С,р,/, ДС|Р,/,С2р2/,Rd[M2 KB~l 1 = 4,9209[а(тя -т*)]0’03140 хх(|—/Л.-)1*3705 (£,/А.)02**61 х„Г. 0,04242 /-10,4071
xpoh спиВ случае погрешность дефек¬тометрии по / и Rj4 как правило, не пре¬
вышает 2 3 % для обоих параметров
Если экстремумы информативных пара¬
метров наступают после окончания нагре¬
ет > т*), то погрешность определения /
составляет 8 и 13 % соответственно для
нормализованного и текущего контраста,
Rj noipeuiHOCib в среднем составляет
36 и 60 % для указанных параметровгдеWQPi/i + CiPih(4 10)=■ Гю - температураизделия в конце теплового процессаДля прямоугольного импульса дли¬
тельностью та решение получено с помо¬
щью интеграла ДюамеляT(z = 0,т) Г л, (с2рг/г)2 ГТ* \ т* C*i Р| /| -J-CTj р2 /2Г с. Pi h +Q Р> h tУ1
I Rj Ci Pi h ^2 Pi h Jj (4xexplID
122Глава 4 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВВ однородном материалег(г = 0,т) Rd Cp{L-lf „
Т* Ч LГ ^-1хехр(4 12)Процедура определения Rd и I состо¬
ит в следующем Функция изменения тем¬
пературы во времени представляет собой
уравнение прямой линииln[7’(z = 0,x)/7’ai]-
= ln[r(z = 0,т = О)/ Т^\+рх
с наклономС, Pi Zi + С2 р21\RC\P\h QP2^j(4 13)и начальным значениемr(z = 0,x = 0) Rd (С2р2/2)2ха Q Pi h +С2 Рг h
-1Q Pi h +С2 р2 /2 _
ехР| _ ", АRC1 Pi ^1^2 РгЕслик = ехрCiPi/i+ С2р212то^/JCjPi/j С2р2/2
r(z = 0, т = О) р _ С2р2/2 1(4 14)
Ч Н* (4 15)(4 16)второго уравнения, в противном случае
необходимо итеративно решать систему
из двух уравнений, причем параметры р и
T(z = 0, х = ОУГоо должны быть определены
из эксперимента Обычно достаточно трех
итераций, если начать со значения
h=LI2Решение для однородной пластины
имеет видLР*к[Г(г = 0,х = 0)/Го0/ = -1 + ;ехр^pCpl{l-l/L)(418)Описанный метод был применен для
оценки параметров клеевого слоя между
металлами и композитами [34] Результа¬
том процесса обработки были глубино-
граммы и толщинограммы Погрешность
тепловой дефектометрии составила 10 ...
14%по/и 10 95% по Rd4.4.2. Определение глубины залега¬
ния дефекта по моменту его оптималь¬
ного проявления. Если момент опти¬
мального наблюдения хот(АTm)»xh9 топриближенную оценку глубины залегания
дефекта, свойства которого резко отлича¬
ются от свойств основного материала,
можно получить путем инверсии формулы
(2 43)Г. к QPih ЧДва неизвестных параметра 1\ и Rd
связаны следующими уравнениями/= к 1 n ClPl pxh[T(z = 0,x = 0)ITn]’С2Р2 А(417)Л _ +С2р212
рС\Р\1\С2р212Если глубина дефекта известна, то
его тепловое сопротивление находят из1 = 4аХт(419)Формула (4 19) рекомендуется для
оценки глубины залегания газонаполнен¬
ных дефектов на глубинах значительно
меньших полной толщины объекта кон¬
троляЕсли длительность нагрева соизме- ■
рима, но меньше тот, то реалистичныеоценки можно получить по следующей
формуле(4 20)
УПРОЩЕННЫЕ ФОРМУЛЫ ИНВЕРСИИ1234.43. Определение теплового со¬
противления дефектов с использовани¬
ем момента температуры нулевого по¬
рядка. Алгоритм предложен Д Боше и др
на основе анализа задачи нагрева пласти¬
ны, нагреваемой тепловым импульсом
[37] Моментом температуры нулевого
порядка (zero-order temporal moment) на-
00зван интеграл М = \т(х)ск, которыйостреми гея к бесконечности в адиабатиче¬
ском процессе {Г(т -> сю) -> 7^ } При на¬
личии в теле дефекта с тепловым сопро¬
тивлением Rd на глубине /, "бездефект¬
ную11 температурную функцию Г(т) заме¬
няют "дефектной” функцией Td(x), кото¬
рая отклоняется от основной функции в
течение некоторого периода времени
(времени "видности" дефекта) Аналити¬
чески показано, что изменение момента
00Ш = |[ЗД - Tnd(x)]dx = W Rd(l-1/L)2,» (421)где W - поглощенная энергия Уравнение
(421) содержит два неизвестных парамет¬
ра Rd и / В случае, когда / «L (толстый
образец или неглубокий дефект)AM = WRd (4 22)Практическое использование (4 22)
возможно путем последовательного сло¬
жения термограмм в последовательности,
та) также приводит к снижению уровнянекоррелированных шумов в V# раз
(N - число термограмм), однако необ¬
ходимость измерять поглощенную энер¬
гию делает формулу (4 22) непрактичной4.5. ТЕПЛОВАЯ ДЕФЕКТОМЕТРИЯ
РЕЗИСТИВНЫХ ДЕФЕКТОВ ВПРОСТРАНСТВЕ ЛАПЛАСАКак отмечалось выше, применение
преобразования Лапласа является основ¬
ным методом решения задач нагрева мно¬
гослойных изделий При этом решенияполучают в громоздком, но явном виде
Тем не менее, инверсия "многослойных"
решений в явном виде невозможна
А Деджиованни и сотрудники предложи¬
ли оказавшуюся весьма плодотворной
идею определения параметров резистив¬
ных дефектов в пространстве Лапласа, т е
без возвращения в пространство оригина¬
лов (см п 3 1 2) Оказалось, что, посколь¬
ку соответствующие выражения в
пространстве Лапласа (см формулы
(3 15)) являются алгебраическими, то они
могут быть решены относительно
искомых величин / и d (Rd)Вид решений (3 15) подсказывает,
что практическая процедура тепловой де-
фектометрии включает применение пре¬
образования Лапласа к эксперименталь¬
ным значениям нормализованных темпе¬
ратурных сигналов Д77Гос (нормализацию
проводят на стационарное значение тем¬
пературы образца 7^, считая его адиаба¬
тическим) Имея дело с двумя неизвест¬
ными параметрами дефектов, необходимо
либо использовать решения для обеих по¬
верхностей изделия, либо использовать
решения для одной из поверхностей, но
для двух моментов времени Ti и х2, кото¬
рые соответствуют двум значениям пере¬
менной Лапласа в пространстве изображе¬
ний р\ и р2 Известно, что система двух
уравнений с двумя неизвестными имеег
однозначное решение в случае линейной
независимости уравнений Авторы описы¬
ваемого подхода установили, что, строгоговоря, уравнения A&F(px)n A©F0?2)He
являются абсолютно независимыми, но
это не мешает использовать их в процеду¬
ре дефектометрии4.5.1. Анализ температурной функ¬
ции на задней поверхности. Установле¬
но, что решение для задней поверхности
пластины нечувствительно к параметру
х* = l/L в середине пластины и обнару¬
живает слабую зависимость А0я(/?)длядругих значений глубины дефекта, что
также следует из приведенной в главе 3
124Глава 4 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВзависимости ATR (/) Аналитически пе¬
ременную X * можно исключить для осо¬
бого случая р2* = 4 р\ *, используя свой¬
ства гиперболических функций, что по¬
зволяет придти к следующему выражению
для определения теплового сопротивления
дефектаRd = М?[L + а2 sh(a2)A/?]L / X [1 + Мхщ sh(a|)]х shtaQthCa!) [-Л/, + М2 ch(a,)] -1,5Л/2а, sh(a2 ) ’(4 23)где М\2 - суть Лацлас-образы нормализо¬
ванного экспериментального температур¬
ного сигнала АТК/ТЛ9 индексы 1 и 2 отно¬
сятся к двум выбранным моментам време¬
ни, а-^[р*9 р* = Ь2р/аПриведенные соображения подкреп¬
ляют ранее сделанный вывод о том, что
двусторонняя процедура позволяет оцени¬
вать тепловое сопротивление (толщину)
дефекта, но не его глубину залегания, это,
в частности, делает невозможной двусто¬
роннюю тепловую томографию4.5.2. Анализ температурной функ¬
ции на передней поверхности. Основы¬
ваясь на ранее полученных результатах,
например, анализируя формулы инверсии
(4 8), можно предсказать, что односторон¬
няя процедура весьма чувствительна к
глубине залегания дефектов и слабо чув¬
ствительна к их тепловому сопротивле¬
нию Исключая Rd для рх * и/?2* = 4 рх *, можно получить следующеетрансцендентное уравнение для определе¬
ния /a, sh (а2) sh (щ )[4 ch (щ) ch (а! - щ) -1 ^-ch(a1)] + 2sh(aI -щ)[— ch (а{)~М\—— ch2(ai - и,)] = О,М2 1 (4 24)где их=ах1/Ь Для малых значений Rdпоследнее уравнение может быть записанг
в явном виде//1 = 1-—In
a.(^-)1/2ch(a1) +М]+ ["~ch2(a1)-l]1/2
М\(4 25)4.5.3. Покрытие на подложке: дву-
сторонняя процедура ТК. Пусть ТФХ
покрытия равны /ь С\, рь Х\9 подложки-
/2, С2, р2, Х2 В одномерном приближении
температурный сигнал между областью с
покрытием (d) и без него (nd) определяют
по выражениюW W
AT = Td/ T„d/——.CjPi^i + С2р2Я,2 С2р2Х2(426)Задачу идентификации решают, исх
пользуя вьфажение для температуры на
задней поверхности пластины Следуя
подходу, описанному выше, Лаплас-образ
А©* функции ATr имеет вид [18]Д0** = 1
s/2aqr = —А0Л*,
«21 + кхк2(427)'к2 sh (kxs) ch (s) + sh (s) ch (^s)1sh(.s)гдеs = Jp*,p* = lip/a2,kl =7L.F2-.h\a l£ _ j QPl^l
V ^2p2^2Фактически имеет место двухпара^
метрическая обратная задача А7*(т, к\9 feX
в которой функция А7*(т) известна из экс*
перимента Неизвестные параметры к\ й
к2 могут быть определены в случае, есл$
ТЕПЛОВАЯ ДЕФЕКТОМЕТРИЯ ПУТЕМ МИНИМИЗАЦИИ 125коэффициенты чувствительности *i(t, к\9
jt2) = ЗАТ1дк\ и х2(х, к\9 к2) = дАТ/дк2 явля¬
ются линейно-независимымиПоскольку анализ коэффициентов
чувствительности к\ и к2 показал их силь¬
ную взаимозависимость, их оценка из экс¬
перимента невозможна Тем не менее, ав¬
торы предложили использовать ряд дру¬
гих искусственных коэффициентов, на¬
пример, к2 и Лг3 = к\ къ которые являются
независимыми и, следовательно, могут
быть определены в результате решения
обратной задачи4.6. ТЕПЛОВАЯ ДЕФЕКТОМЕТРИЯ
ПУТЕМ МИНИМИЗАЦИИ
ФУНКЦИОНАЛА НЕВЯЗКИ
(МЕТОД НЕЛИНЕЙНОЙ
ФИЛЬТРАЦИИ)4.6.1. Использование классических
решений. При анализе экспериментальных
данных функционал невязки определяют как
разность двух цифровых последовательно¬
стей T^-T^qj^i)} О = 1 N), одна изкоторых является результатом экспери¬
мента, а вторая следует из теоретической
модели, зависящей от подлежащих опре¬
делению параметров (у = 1 М) Ис¬
пользуя итеративный процесс приближе¬
ния к глобальному минимуму в А/-мерном
пространстве параметров , можно оце¬
нить их значения Для ряда параметров
ТК, например для толщины дефектов,
глобальный минимум соответствующего
функционала является достаточно "пло¬
ским11, поэтом точность оценки таких па¬
раметров можег быть низкой, а в некото¬
рых случаях обрагная задача может не
иметь корректного решения Очевидно,
что метод минимизации функционала
требует использования разумного нулево¬
го приближения, является времяемким и
может быть реализован с помощью отно¬
сительно мощных компьютеров, особенно,
ССпи речь идет об обработке полнофор¬
матных изображенийИспользуя в качестве базисных функ¬
ций Tt(qJ9x,) классические решения тео¬
рии теплопроводности, можно оценивать
значения ТФХ материалов и параметры
процесса теплообмена Э Гринцато и
С Маринетти применили такой подход,
названный ими методом нелинейной
фильтрации (non-linear filtration), для ана¬
лиза процесса нагрева пластины известной
толщины и теплопроводности [38] В ка¬
честве теорегической модели были ис¬
пользованы решения задачи нагрева не¬
адиабатической пластины, и полуограни-
ченного неадиабатического тела прямо¬
угольным тепловым импульсом Для ми¬
нимизации среднеквадратических откло¬
нений был применен метод Левенберга-
Маркуорда (Levenberg-Marquardt), кото¬
рый хорошо проявил себя на практике и
сейчас является стандартным приемом
перемещения в пространстве признаков с
использованием нелинейного метода наи¬
меньших квадратовВ работе [38] искомым параметром
при анализе двусторонней процедуры ТК
пластины из углепластикового композита
был коэффициент темперагуропроводно-
сти а9 значение которого сравнивали с
полученным по методу Паркера Был сде¬
лан вывод о том, что точность определе¬
ния а с помощью нелинейной фильтрации
выше, чем при использовании других ал¬
горитмов, главным образом, благодаря
учету поверхностного теплообменаБыла также продемонстрирована
возможность оценки температуропровод¬
ности в односторонней процедуре, хотя
сходимость итеративного процесса в этом
случае была хуже и сам процесс расчета
был более длительнымНа рис 4 2 в качестве иллюстрации
показано пространство двух параметров,
по которым производили нелинейную
фильтрацию коэффициента температуро¬
проводности а и теплообмена а Очевид¬
но, что наиболее устойчивым и точным
является анализ температуры на задней
поверхности итеративный процесс, нача¬
126Глава 4 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВа)б)Рис. 4.2. Иллюстрация к методу нелинейной фильтрации с использованием
классического решения задачи нагрева неадиабатической пластины на задней (а)и передней {б) поверхностяхтый с любой пары начальных значений
{а, а} приводит к глобальному минимуму,коюрый отчетливо виден на графике в
виде центральной "впадины" (рис 4 2, а)
В то же время на передней поверхности в
силу того, что минимум имеет форму
"каньона", возможен пропуск корректного
значения а при перемещении в вертикаль¬
ном направлении вдоль значений а
(рис 4 2,6)Используя решение для полуограни¬
ченного тела, в односторонней процедуре
ТК одновременно определяли тепловую
инерцию е и отношение поглощенной
плотности мощности нагрева к коэффици¬
енту теплоотдачи Q/aАлгоритм нелинейной фильтрации
оказался более устойчивым к высокочас¬
тотным шумам, чем полиномиальная ап¬
проксимация и сглаживание данных с по¬
мощью стандартных фильтровСходный алгоритм идентификации
был применен Ф Делпешем и др при де-
фектометрии тонких теплопроводных из¬
делий, нагреваемых прямоугольным им¬
пульсом [21] Использовано два метода
идентификации согласно упрощенному
решению (4 7), в котором два коэффици¬
ента (Р3 и р4 ) связаны соответственно с
глубиной залегания дефекта 1\ и его теп¬ловым сопротивлением Rd Метод Левен-
берга-Маркуорда, в принципе пригодный,
для оценки всех четырех коэффициента-
Р, в силу своей громоздкости был ИСПОЛЬ^'
зован на практике лишь для отдельных
точек Более быстрым оказался метод ан%'
лиза взвешенных временных интегралов^
примененный к экспериментальным тер*
мограммам в случае адиабатической мо»
дели (Р2 0) Точность использования
данной модели при дефектометрии дву*
стальных пластин толщиной 1 мм каждая
и разделенных воздушным зазором тол¬
щиной 34 мкм составила 5 % [21]Более сложную одномерную модели
двухслойной пластины с резистивный
дефектом использовали Ж Крапе Ш
П Съело [39] Моделировали равномер*
ный нагрев пластины тепловым потоков
который проникал на определенную глу¬
бину согласно закону Ламберта-Бера*
Аналитическое решение задачи Tt{qJ9x/}было получено с помощью функций Грина
в весьма громоздком виде, тем не менее;
инверсия данных занимала всего 20 с ма*
шинного времени Такой подход мож&£
быть реализован также в рамках многб1
мерных моделей ТКМетод нелинейной фильтрации в по*
следнее время представляется наиболее
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПЕРЕЧНЫХ РАЗМЕРОВ ДЕФЕКТОВ127надежным при идентификации нескольких
неизвестных параметров, если анализи¬
руемый процесс поддается корректному
моделированию4.6.2. Использование многомерных
численных решений. В 1988 г Д В Кущ,
д.А Рапопорт и О Н Будадин применили
метод минимизации функционала для
анализа двухмерных температурных фун¬
кций, образованных в результате строчно¬
го сканирования изделия Примечательно,
что "прямолинейная11 минимизация потре¬
бовала до 56 итераций и 168 мин процес¬
сорного времени на компьютере ЕС-1055,
который по тем временам был одним из
лучших в СССР [40] Погрешность опре¬
деления параметров дефектов была на
уровне 20 % С целью сократить времяем-
кие вычисления, авторы проанализирова¬
ли связи температурных сигналов с пара¬
метрами ожидаемых дефектов в конкрет¬
ном материале, благодаря чему удалось
сократить время вычислений до3 ..5 минЖ Крапе, П Съело и К Малдаг ис¬
пользовали двухмерную цилиндрическую
модель, подобную той, которая описана в
п. 3.3 2 [41] Входными эксперименталь¬
ными параметрами были• максимальный текущий контрастС run
т >• время "половины нарастания мак¬
симального сигнала" (half-nse time) т1/2+,которое определяли на нарастающей ветви
функции температурного сигнала над де¬
фектом ДГ(т),• время "половины спада макси¬
мального сигнала" (half-drop time) т1/2_ 9
которое определяли на спадающей ветви
Функции температурного сигнала над де¬
фектом ДГ(т),• видимый поперечный размер де¬
фекта, определяемый по максимуму по¬
верхностного градиента ДГ(г) (см п 4 7)Выходными (определяемыми) пара¬
метрами были• нормализованная глубина залега¬
ния дефекта,• нормализованное тепловое сопро¬
тивление дефекта,• поперечный размер дефекта,• коэффициент теплообменаКак и в случае одномерной модели,
метод наименьших квадратов был приме¬
нен в комбинации с методом Левенберга-
Маркуорда Данный алгоритм решения
обратной задачи ТК обеспечил погреш¬
ность определения глубины залегания и
поперечных размеров дефектов на уровне
10%Будучи примером вполне строгой
реализации принципов решения многопа¬
раметрических обратных задач, описы¬
ваемый подход может найти возрастаю¬
щее применение, в особенности, благода¬
ря лавинообразному увеличению мощно¬
сти компьютеров4.7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПЕРЕЧНЫХ
РАЗМЕРОВ ДЕФЕКТОВ4.7.1. Использование пространст¬
венных профилей температуры. В отли¬
чие от глубины залегания и толщины по¬
перечные размеры дефектов поддаются
простой визуальной оценке по тем темпе¬
ратурным отпечаткам, которые дефекты
создают на контролируемой поверхности
(в ТК речь, как правило, идет о дефектах
значительной поперечной протяженно¬
сти) Размещая на поверхности объекта
маркер известных размеров, хорошо ви¬
димый в ИК-диапазоне, например полоску
алюминиевой фольги, процесс определе¬
ния йА, hy можно автоматизировать Вбольшинстве практических случаев ошиб¬
ка простой визуальной оценки размеров
дефектов не превышает 30 % При автома¬
тизации этого процесса, необходимо уста¬
новить температурный порог принятия
решения ДГ/Л/ , амплитуда которого, как
мы увидим ниже, существенно влияет на
оценку hx%hy
128Глава 4 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВРис 4.3. Нормализованные профили температуры
над воздушным дефектом в алюминиевой пластине
(L- 2 мм, / - 0,5 мм, г«/ = 0,2 мм, Q - Ю6 Вт/м2, тА = 0,01 с)Другая процедура, названная в анг¬
лоязычной литературе Full Width Half
Maximum - FWHM ("полная ширина на
половине высоты”), предусматривает оп¬
ределение геометрических размеров де¬
фекта по проекции гочек, соответствую¬
щих половине максимального темпера¬
турного перепада &Тт12 [24]В свою очередь, ВП Вавилов и
В В Ширяев показали, что экстремумы
производных от 7\х, у) по любой из поверх¬
ностных координат в точности соответст¬
вуют проекциям границ внутренних дефек¬
тов на контролируемую поверхность [42]Три описанных подхода проиллюст¬
рированы на примере расчетного профиля
на рис 4 3, полученного для дефекта ра¬
диусом гл1 = 1 мм в алюминии на глубине
0,5 мм В табл 4 1 приведены оценки ра¬
диуса дефекта как в случае ТК алюминия,
так и углепластика толщиной 5 мм Видно,
что с точностью до радиального шага про-
странс! венной сетки, использование экс¬
тремума первой производной (dT!dr)extrобеспечивает точное определение rd в
обоих материалах (к сожалению, этот при¬
ем неприменим для зашумленных сигна¬
лов) Достаточная для практики точность
обеспечивается оценкой по АТ^/2 Валюминии точные оценки имеют место
при малых временах наблюдения, в то
время как при больших временах проис¬
ходит существенное расплывание темпе¬
ратурного отпечатка В углепластике от¬
мечена возможность как переоценки, такй
недооценки г,/, последний эффект назван
Д Альмондом и другими "сжатием"
(shrinkage) дефекта [24] Отметим, что
предлагаемый прием интерполяции оцен¬
ки ty(x)flo момента т = 0 не приведет кповышению точности дефектометрии в
случае углепластика (см табл 41) Нако¬
нец, оценка г</ по размерам зоны, занимае¬
мой сигналом A7Yг) > АТ^г - = 0,01 °С,
приводит к существенным разбросам оце*
нок в зависимости от времени наблюдения.Определение поперечных размеров
скрытых дефектов проиллюстрируем н»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПЕРЕЧНЫХ РАЗМЕРОВ ДЕФЕКТОВ129примере ТК иконы, выполненной по сред¬
невековой технологии на деревянной дос¬
ке толщиной 20 мм (образец предоставлен
Э. Гринцато, ИI алия) Имитатор иконы
представлял собой многослойную конст¬
рукцию, включающую слой лака, клей на
гипсовой основе, холст и подложку из
дерева Более подробно ТК изделия рас¬
смотрен в главе 9 В данном контексте
анализ ограничен рассмотрением дефекта
в виде полоски из тефлона размером 27 х4 мм, размещенной на глубине около 1 мм
ИК-термограмма в оптимальный момент
наблюдения показана на рис 4 4, а (См
цветную вкладку) Масштаб термо1раммы
0,84 мм/пиксель Горизонтальный про¬
филь температуры через данный дефект
показан на рис 4 4, б, а его производная
на рис 4 4, в Поскольку исходная термо¬
грамма весьма зашумлена, чю характерно
для неоднородных фонов, возникающих
при контроле предметов искусства, оценка
размеров дефекта непосредственно по
термограмме затруднена Протяженность
дефекта по критерию ATJ2 составила
45 пикселей или 37,8 мм Применение
оказалось невозмож¬ным, поскольку операция производной
привела к усилению шумов (рис 4 4, в)На рис 4 4, г показана таймограмма
изделия, полученная с помощью алгорит¬
ма тепловой томографии (см п 5 3) Из¬
вестно, что распределение характеристи¬
ческих времен теплопередачи имеет зна¬
чительно большую крутизну на краях де¬
фектов по сравнению с обычной термо¬
граммой Этот эффект отчетливо виден на
рис 4 4, г, где определение размеров де¬
фекта возможно простым подсчетом пик¬
селей, занимаемых изображением дефек¬
та 45 х 8 пикселей Таким образом, оцен¬
ка размера дефекта по таймограмме со¬
ставляет 37,8 х 6,7 мм, те совпадает с
оценкой по ATJ2В данном примере видно, что рекон¬
струированные размеры данного дефекта
существенно не совпадают с запроектиро¬
ванными, что характерно для дефектов,
образованных внесением инородного ма¬
териала между слоями основного изделия
В случае дефектов типа пазов, засверловок
и тп точность применения описанных
выше приемов является более высокойкритерия (дТ/дг)еф4.1. Реконструкция поперечных размеров дискообразного дефектаВремя
наблюдения, сИстинныйРеконструированный радиус дефекта, ммрадиус
дефекта, ммпо критерию
(дТ/дг)мпо критерию
АТт/2по критерию
ДГ,*, = 0,01°САлюминий L = 2 мм, / = 0,5 мм, d = 0,2 мм, Q = 106 Вт/м2, т/, = 0,01 с-20,0051,0*1,02,50,011,01,0*1,03,00,051,0*2.41,8Углепластик L = 5 мм, / = 1,5 мм, d- 0,5 мм, Q= 10б Вт/м2, Т/, = 0,01 с1,05,0*5,44,02,55,05,0*4,67,05,05,0*4,37,5*С точностью до одного радиального шага численной сетки5"-б07
130Глава 4 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВ4.7.2. Функция точечного источни¬
ка и инверсия размеров внутренних
дефектов в пространстве Фурье. Общий
подход к определению размеров и формы
внутренних дефектов по эксперименталь¬
ным температурным сигналам разработан
Р Фавро [43] и др для импульсных про¬
цедур ТК и Г Вальтером и др [44] для
процедур с использованием тепловых
волн Предлагаемый метод заимствован из
астрономии и оптики и предполагает неза¬
висимость оценок от времени и парамет¬
ров дефектовПусть форма внутреннего дефекта в
направлении, параллельном контролируе¬
мой поверхности, описывается функцией
F(x9y91), а функция G(x9y9 /, х) обозна¬
чает поверхностный температурный от¬
клик от точечного дефекта, расположен¬
ного на той же глубине / (нагрев импуль¬
сом Дирака) Функция G является анало¬
гом функции Грина, широко используе¬
мой для решения дифференциальных
уравнений, ее более точное название -
функция точечного источника (ФТИ) Эту
функцию можно определить как в общем
случае, так и для конкретных материалов,
дефектов и типов нагрева Очевидно, что
поверхностный температурный сигнал от
произвольного дефекта при произвольном
нагреве можно получить сверткой (convo¬
lution) следующих функцийAT(x9y9Lx) = W(x9y9x)**F(x9 v,/)**x
xG(x,y,l,x), (428)где W(x9y9i) - функция источника нагре¬
ва, а знак (**) обозначает сверткуЕсли определить ФТИ для конкрет¬
ного типа нагрева, последнее уравнение
приобретает более простой видАТ(х9у91 х) = F(x9y,l)**G(x9y9l9x)(4 29)Свертку в пространстве оригиналов
заменяют простым произведением в про¬
странстве Фурье0(и,£х,/) = Ф(и,£,/)Г(и,С,х,/)(4 30)Здесь функции-оригиналы заменена
соответствующими образами Фурье Фуц.:
кция формы дефекта может быть,
определена обратным преобразованием;
Фурье, примененным к отношению'
0(и, £, х, /)/ Г(и, £, х,/)F(x, у9/) = Fourier [©(и, q9 х, /) / Г(и, <;, т9Щ(4 31)При практическом применении урав--|
нения (4 31) возникают следующие про*;
блемы• ФТИ должна быть определена
"наилучшим" образом для конкретных
дефектов (например, неясно как G долж¬
на учитывать влияние толщины дефекта);• поскольку функция F не должна
зависеть от времени, неясно как выбирать'
момент времени х для расчета огношеншг
двух Фурье-образов в выражении (4 31), *• деление на значения Г, близкие г
нулю, должно вызвать появление значив
тельного шума в спектре Фурье функции-F 9• любые шумы в исходных изобра*
жениях имеют тенденцию к усилению прн
использовании вышеописанных процедур.:ФТИ можно найти аналитически шш
численно Р Фавро и др получили вырф
жение ФТИ для импульсного ТК в сле¬
дующем виде, используя приближение;
Борна первого порядка, те пренебрегая-
многократными отражениями импульсных
тепловых волн в пространстве между п<ъ
верхностями изделия и дефекта [43]G(x,y,r,l) = ~J-^-?-x
2п V яат д1ехрх2+у2+12+1Аахiх2+у2+12(4.32}где С - постоянный коэффициент (произ*
водная по / не выполнена с целью пред*
ставить выражение в компактном виде]^
Авторы метода полагают, что формул?
(4 32) удовлетворительно описывает ра<8
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПЕРЕЧНЫХ РАЗМЕРОВ ДЕФЕКТОВ131пространение и рассеяние импульсных
тепловых волн Тем не менее, проблема
выбора оптимального момента времени
для выполнения операции (4 31) остается
нерешенной (авторы предлагают выбирать
х эмпирически)Для случая точечного гармоническо¬
го нагрева (фототермический метод ТК),
предложено следующее выражение для
ФТИ, записанное в цилиндрических коор¬
динатах [44]В +А!Vr2 +/21+-1ал172 +/2(4 33)где А = АХ/Х и Я = Д(Ср)/(Ср) названыпараметрами "тепловой мощности" (ther¬
mal strength) точечной неоднородности,
о2 = 2//ц - волновое число, ц - длина
тепловой диффузии, г91 - рассгояния ме-
жду дефектной точкой и точкой нагрева
соответственно по горизонтали и вертика¬
ли. По структуре выражения (4 32) и (4 33)
подобны, однако в формуле (4 33) отсут¬
ствует время в силу квазистационарного
характера контроляВ заключение следует заметить, что
как отыскание ФТИ, так и всю процедуру
инверсии согласно выражению (4 31), це¬
лесообразно проводить в численном виде
Описанный метод позволяет получить
более резкие изображения размытых де¬
фектных отпечатков, однако при этом воз¬
растает высокочастотный шум Подавле¬
ние шума производят путем его фильтра¬
ции в пространстве Фурье4.7.3. Лапласиан и восстановление
размытых границ. Определение конту¬
ров внутренних дефектов, будь то простое
Дифференцирование (п 4 7 1) или исполь¬
зование ФТИ (п 4 7 2), может быть объяс¬
нено с позиций обработки изображений
Лапласовским фильтром, обладающим"свойством обострения" (sharpening) гра¬
ниц областей, которые были размыты
вследствие процессов диффузии [45]Лапласиан является линейным диф¬
ференцирующим операторомv2r=д2Т д2Тдх2+ду2(4 34)который инвариантен относительно вра¬
щения, поэтому, в отличие от дифферен¬
цирующих фильтров первого порядка,
применение Лапласа инвариантно в отно¬
шении направления прохождения границ
А Т(х,у)Можно показать, что Лапласиан свя¬
зан с процессом диффузии тепла, опи¬
сываемого уравнением— = oV2r.дх(4 35)Принимается, что температурное рас¬
пределение в нулевой момент времени
Т(хчу9х = 0) отображает форму скрытогодефекта (в главе 3 показано, что воспроиз¬
ведение формы дефектов улучшается при
коротких временах наблюдения) Соответ¬
ственно, функция Т(х,у,х>0) описываетразмытое (blurred) изображение дефекта
Разлагая функцию Т(\9у,х > 0) в ряд Тей¬
лора вблизи точки т*, можно получить™ «ч ч * дТ х*2 д2ТТ(х.,Л)-Пх,,,0-х‘—+—(4 36)Игнорируя члены ряда второго по¬
рядка и вышеТ(х9у9х) = Т(х,у,х = 0 )-ax*V2TСоответственно в цифровой форме
следует выполнить фильтрацию следую¬
щего видато, J) - V2J(i, /) = 5 Г(», J) - [Г(«+1,;) +(4 37)
132Глава 4 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВ4.7.4. Использование решения трех¬
мерной адиабатической задачи ТК. Ме¬
тод "термического четырехполюсника",
предложенный А Деджиованни для реше¬
ния одномерных задач теории теплопро¬
водности, был распространен на случай
трехмерных задач [28] Это позволило
ввести в рассмотрение, помимо глубины
залегания дефектов / и их теплового со¬
противления Ял также их размеры Ъ х с в
поперечном направлении Принципы ре¬
шения прямой задачи ТК с использовани¬
ем преобразования Лапласа и Фурье опи¬
саны в п 3 5 В аспекте дефектометрии
наиболее простые алгебраические выра¬
жения получают для дефектов с малым Rj
Для определения размеров дефекта необ¬
ходимо использовать результаты как од¬но-, так и двухстороннего ТК Двухсто.'
ронняя процедура позволяет определит^
термическое сопротивление дефекта, а'
односторонняя - его глубину, причем в
обоих случаях используют так называв*'
мый локально-одномерный подход, опи¬
санный в п 3 1 2 Затем вводят концепцию.
пространственно-усредненного контра1
ста Лапласа, который определяют по экс.
периментальным данным Как показано в
[28], значение этого контраста пропор¬
ционально b х с Данный алгоритм опре-*
деления поперечных размеров дефек¬
тов является достаточно громоздким ц
представляет скорее теоретический инте¬
рес, однако и он может стать практиче*
ским по мере роста мощности компьюте¬
ров
Глава 5АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ДАННЫХ В ТЕПЛОВОМ КОНТРОЛЕАлгоритмы обработки динамических
температурных функций в ТК связаны с
анализом изменения температуры в без¬
дефектной и дефектной областях
(рис 5 1), для чего неоходимо обрабаты¬
вать пиксельные функции T\i, j, т) после¬
довательное гей экспериментальных гер¬
мограмм Стандартный подход состоит в
выборе временных интервалов (time gates),
в которых регистрируют дифференциаль¬
ный сигнал А7Тт), причем положение вы¬
бранного интервала зачастую определяет
способ ТК (некоторые способы ТК пред¬
ставлены на рис 5 1)5.1. МЕТОД ОПТИМАЛЬНОГО
НАБЛЮДЕНИЯВ импульсном ТК используют раз¬
личные вариации метода, который может
быть назван "методом оптимального на¬
блюдения" Его сущность очевидна и сво¬
дится к гому, что температурное поле
объекта контроля следует наблюдать в
момент тт максимума сигнала АТт или
другого выбранного информативного па¬
раметра (более корректно выбирать тт в
момент максимального отношения сиг¬
нал/шум) При этом "оптимальную" тер¬
мограмму либо выбирают из записанной
последовательности, либо непосредствен¬
но фиксируют в момент тт, который опре¬
деляют a priori В англоязычной литерату¬
ре с этим методом связано несколько тер¬
минов метод синхронной регистрации
сигнала, метод временных ворот, ИК-
радиометрия с временным разрешением и
т.п (synchronous, lock-in, box-саг, time-
resolved technique)Важное значение имеет положение
оптимального момента наблюдения отно¬
сительно окончания нагрева т* Типичнойрекомендацией импульсного ТК является
необходимость соблюдать условие тот > тл,
в противном случае, при использовании
оптического нагрева, возникает проблема
отраженного излучения нагревателяВ рамках метода ИК-радиометрии с
временным разрешением в Университете
Джонса Гопкинса (США) предложено на¬
гревать изделие лазерным излучением с
длиной волны, находящейся вне полосы
спектральной чувствительности теплови¬
зора, например, нагревагь объект излуче¬
нием видимого диапазона, а температуру
регистрировать в диапазоне 7 14 мкм
[26] С точки зрения обеспечения макси¬
мального текущего контраста над дефек¬
том такой способ уступает кратковремен¬
ному нагреву, но в ряде практических за¬
дач он может оказаться если не оптималь¬
ным, то приемлемым5.2. МЕТОД РАННЕГО
НАБЛЮДЕНИЯМетод раннего наблюдения, предло¬
женный Ж Крапе и Д Балажа [35], преду¬
сматривает регистрацию сигнала АТ в
моменты времени т « тт (см п 4 1 2)
Очевидно, что при этом отношение сиг¬
нал/шум меньше, чем при оптимальном
наблюдении, следовательно, данный спо¬
соб применим для дефектов, создающих
сигналы ДГ(т) достаточно большой вели¬
чины (те для больших или неглубоко
расположенных дефектов) Его основным
преимуществом является хорошее воспро¬
изведение формы дефектов в их проекции
на контролируемую поверхность вследст¬
вие относительно низкой интенсивности
объемной диффузии тепла Применитель¬
но к алюминиевым и углепластиковым
самолетным конструкциям метод раннего
наблюдения обеспечивает качество термо¬
134Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХграмм, близкое к ультразвуковым изобра¬
жениям, полученным методом С-скани-
рования5.3. МЕТОД ДИНАМИЧЕСКОЙ
ТЕПЛОВОЙ ТОМОГРАФИИ
(МАКСИГРАММЫ И ТАЙМОГРАММЫ)5.3.1. Физические принципы. Идея
динамической тепловой томографии была
предложена В П Вавиловым и В В Ши¬
ряевым в 1986 г на волне большого инте¬реса к томографическому представлению
результатов путем "просвечивания" твер¬
дых тел с помощью физических полей я
потоков частиц [46-48] Первая тепловая
томограмма построена В П Вавиловым в
сотрудничестве со специалистами из Уни¬
верситета Уэйна (США) в 1989 г путем
соответствующей обработки эксперимен¬
тальной последовательности ИК-термо-
грамм, полученной при импульсном ТК
углепластикового композита [46]
МЕТОД ДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕПЛОВОЙ ТОМОГРАФИИ135Q&тт*ЯД* счч<ч 4,fcч;4aaaafaL.Таймограмма Максиграммаа)б)Рис. 5.2. Динамическая тепловая томография:а - положение характерных точек и развитие температурных сигналов во времени,б - синтез таймограммы и максиграммы (справа - калибровочная кривая)
136Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХВ России параллельные работы про¬
водила группа ДА Рапопорта, которая
искала подходы к тепловой томографии на
основе итеративного решения обратных
задач ТК [40]Изобретение компьютерной рентге¬
новской томографии и ее применение в
медицинской и технической диагностике
оказалось столь же революционным, как и
само открытие рентгеновских лучей В НК
радиационная томография позволяет на¬
блюдать слабоконграстные дефекты, что
достигается просвечиванием изделия под
различными углами зрения В отличие от
потока корпускулярных частиц и квантов
оптического излучения тепловая энергия
распространяется путем диффузии, поэто¬
му чисто геометрические принципы клас¬
сической томографии заменены в ТК ана¬
лизом изменения поверхностной гемпера-
1уры во времени Г Буссе и Ф Ренк из
Штуттгартского Университета (Германия)
еще в 1984 г предлагали упрощенную
схему двусторонней проективной тепло¬
вой томографии, которая не получила
практического применения [49]В России разрабатывапи эмиссион¬
ную тепловую томо] рафию для анализа
пространственного распределения темпе¬
ратуры раскаленных газов, полупрозрач¬
ных для ИК-излучения Материал настоя¬
щего раздела относится к динамической
тепловой томографии, основанной на том
факте, что температурные отклики более
глубоких слоев контролируемого мате¬
риала проявляются на нагреваемой по¬
верхности с возрастающей временнбй за¬
держкойИз теории ТК, изложенной в главе 4,
следует, что гелловая томография воз¬
можна только в односторонней процедуре,
поскольку в двусторонней процедуре ТК
зависимость ДДт) от / неоднозначна (см
п 3 2 3) Тепловую томографию следует
рассматривать как способ особого пред¬
ставления результатов ТК, в котором ис¬
пользована инвертированная зависимость
/(т*), где т* обозначает характерное время
теплопередачи, выбранное в качестве ин¬
формативного параметраТепловая томография позволяет• выполнять послойный анализ объ¬
екта контроля, хотя при этом происходах
"затенение" более глубоких дефектов (см.
п 3 23),• снижать влияние поверхностных
шумов на качество термограмм,• улучшать выявляемость скрытых
дефектов,• определять глубины залегания де-
фектов с приемлемой точностью (до 15 %),Тепловая томография использует
стандартную процедуру ТК, изображен¬
ную на рис 5 2, а На нагреваемой по-'
верхности оператор выбирает эталонную
(бездефектную) точку (i,ef,j}ef), послечего все другие точки (пиксели) термо¬
грамм проверяют относительно эталонной
точки (пикселя) на предмет их принад¬
лежности к дефектным зонам Иными сло¬
вами, каждый пиксель характеризуется тем- *
пературным сигналом ATtJ (т*) = Tlf (т*) --Ttef(т*), определенным для любого ха¬
рактерного времени т *В тепловой томографии часто рас¬
сматривают случай т* = xw Каждый пик¬
сель (I, у ) можно охарактеризовать двумя4параметрами ДTmiJ и zmiJ, которые форми¬
руют изображения, названные В В Ши-'
ряевым соответственно максиграммой и
таймограммой В зависимости от типа
дефекта и амплитуды эталонного сигнала,
величина ATmiJ может быть положитель¬
ной, отрицательной или равной нулю.
Существенной особенностью такого под¬
хода является то, что исходную последо¬
вательность экспериментальных термо¬
грамм заменяют всего двумя изображу
ниями, причем максиграмма показывает
дефекты в их оптимальном проявлении, а
таймограмму можно рассматривать как
закодированное изображение глубин сло¬
ев (рис 5 2, б)Наилучшие результаты по точности
определения координат отдельных слоев
получают путем предварительного расчета'
калибровочной функции тот(/) для кон*
АДАПТИВНАЯ ТЕПЛОВАЯ ТОМОГРАФИЯ137фетного изделия, после чего любому ин¬
тервалу оптимальных времен наблюдения
дхл ставят в соответствие интервал глубин
дефекта А/ (рис 5 2, б) и строят тепловую
томограмму Простые оценки координат
слоев можно также получить, используя
приближенную формулу (4 20) Необхо¬
димо отметить, что калибровка тт(1) при¬
вязана к определенному типу дефектов, а
использование формулы (4 20) возможно в
случаях, когда коэффициент отражения
тепловой волны на поверхности дефекта
близок к единице (газонаполненные де¬
фекты в твердых материалах)5.3.2. Максиграмма, таймограмма
и томограмма. Максиграмма показывает
проявление структурных неоднородностей
объекта контроля по отношению к эталону
в их оптимальном проявлении и, как пра¬
вило, характеризуется максимальным от¬
ношением сигнал/шум Иными словами,
максиграмма обладает бблыпей информа¬
тивностью о наличии дефектов по всей
глубине изделия по сравнению с любыми
отдельными термограммами в исходной
последовательности Максиграммы явля¬
ются искусственными изображениями,
поскольку амплитуда сигнала в отдельных
пикселях представлена в различные мо¬
менты времени Как и термограммы, мак¬
сиграммы характеризуются сглаженной
(гауссовской) формой температурных сиг¬
налов над дефектами АГТаймограмма отражает распределе¬
ние характерных времен теплопередачи в
объекте также по отношению к эталону
Каждый пиксель таймограммы содержит
номер изображения в последовательности,
которому соответствует максимальное
значение АТ По сравнению с соответст¬
вующей максиграммой, таймограмма ха¬
рактеризуется более крутым фронтом про¬
странственного распределения сигнала
т«у и поэтому лучше отражает истинные
размеры дефектов Важной особенностью
таймограмм является почти "плоское" по¬
ведение сигнала zmlJ в центральной части
Дефекта и наличие характерного выброса сбблыпими значениями времени задержки
по краям дефектов, что приводит к появ¬
лению артефактовСледует отметить, что максиграммы
внешне подобны термограммам, которы¬
ми они по сути и являются В свою оче¬
редь, таймограммы являются результатом
нелинейной обработки исходной темпера¬
турной информации, поэтому их вид мо¬
жет быть непредсказуемым и не отражать
наличия внутренних дефектов в случае
неправильного выбора эталонной точкиТепловые томограммы попу чают
"расслаиванием" таймограммы Иными
словами, в томограмме отражены только
те пиксели таймограммы, которые харак¬
теризуются значением тт в выбранном
интервале тт] тт2 В ряде случаев про¬
изводят бинаризацию томограмм, превра¬
щая их в карты дефектов Теоретически,
максимальное число слоев, которые мож¬
но выделить в твердом теле, должно быть
равно числу изображений в последова¬
тельности, однако на практике, в силу
шумов и конечного температурного раз¬
решения тепловизора, толщина выделяе¬
мого слоя увеличивается с возрастанием
глубины, и число различаемых слоев, как
правило, не превышает 4 65.4. АДАПТИВНАЯ ТЕПЛОВАЯ
ТОМОГРАФИЯАлгоритм адаптивной тепловой то¬
мографии, предложенный В П Вавиловым
с соавторами, основан на послойном адап¬
тивном профилировании ТФХ объекта[50] Алгоритм предполагает, что• экспериментальные функции из¬
менения температуры во времени регист¬
рируют с малым интервалом Ах,• ТФХ основного материала a priori
известны,• для первого шага по времени глу¬
бина проникновения тепловой энергии
мала, и изделие рассматривают в качестве
полу ограниченного бездефектного тела,• экспериментальные значения тем¬
пературы считывают шаг за шагом с ин¬
138Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХтервалом Дт, сравнивают с расчетными
данными и модифицируют на каждом ша¬
ге и в каждом пикселе, варьируя значения
температуропроводностиАлгоритм, основанный на явной чис¬
ленной схеме решения уравнения тепло¬
проводности, использует предложенную
рекуррентную формулу, которая включает
определенные на предыдущих временных
шагах значения толщины и температуро¬
проводности слоев На каждом четном
шаге определяют толщину очередного
слоя, а на каждом нечетном шаге рассчи¬
тывают температуропроводность данного
слоя Таким образом, продвигаясь вглубь
изделия, возможно построение пиксель¬
ных распределений температуропровод¬
ности в пределах отдельных слоев Для
разбиения изделия на N слоев требуется
иметь последовательность из 2N-1 тер¬
мограммДанный алгоритм не получил даль¬
нейшего развития из-за ограничений на
шаги по времени и пространству Факти¬
чески удавалось выделить только 3 4
слоя, после чего алгоритм расходился
Применение неявной численной схемы
оказалось невозможным из-за необходи¬
мости перебирать на каждом шаге все
слои изделия вплоть до задней поверхно¬
сти5.4. МЕТОД ИМПУЛЬСНОЙФАЗОВОЙ ТЕРМОГРАФИИ
(ФУРЬЕ-АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРНОЙ
ДИНАМИКИ)5.5.1. Общие принципы. Метод им¬
пульсной фазовой термографии (pulse
phase thermography), предложенный
К МалдагомиС Маринетти [51], основан
на применении преобразования Фурье к
функции изменения температуры во вре¬
мени ВД Фазовая термография является
обобщением метода модулированных
(импульсных или периодических) тепло¬
вых волн, которые распространяются в
глубь изделия от точки теплового возбуж¬
дения и претерпевают пространственные ивременные искажения в месте наличия
внутренних дефектов В п 3 7 было пока*,
зано, что при периодическом нагреве тем¬
пературный сигнал над дефектом является
периодической функцией гой же частоты,
что и возбуждающая тепловая волна, ц
характеризуется определенной фазой а
амплитудой Простой оценкой максималъ*
ной глубины обнаруживаемого дефекта
служит длина тепловой диффузииji = д/а / тг/ Очевидно, более глубокиедефекты следует обнаруживать с помо¬
щью более медленных волн В ТК значе-
ния ц находятся в диапазоне от микромет*
ров до миллиметров Применение волн
более низких частот возможно, но это удшь
няет эксперимент, поскольку обычно реги¬
стрируют несколько периодов тепловой
волныМедленные тепловые волны возни¬
кают в результате суточных колебаний
температуры земной поверхности Суточ¬
ные температурные волны проникают в
низкотеплопроводные материалы на глу¬
бину до 5 15 см, что позволяет обнару*
живать скрытые объекты в почве и строи*
тельных сооруженияхСверхдлинные годовые волны темпе¬
ратуры проникают в почву на глубины
более метра В ТК эти волны не применя¬
лись из-за очевидной трудности выделе¬
ния столь низкой частотыИмпульсная фазовая термография
есть вополощение идеи учета тотальных
различий в процессах временнбго разви¬
тия температуры в бездефекшых и де*
фектных зонах Известно, что поглощен¬
ный поверхностью твердого тела импульс
тепловой энергии любой формы (предпоч-4
тительнее иметь дело с прямоугольными
импульсами или импульсами Дирака) ха*
растеризуется спектром частот, которые
проникают в глубь тела, претерпевая рас-'
сеяние по энергии (амплитуде) и запазды¬
вание во времени (сдвиг по фазе) Отдель¬
ные частотные компоненты конкурируют
сложным образом, участвуя в созданий
колоколообразного сигнала в зоне дефект
МЕТОД ИМПУЛЬСНОЙ ФАЗОВОЙ ТЕРМОГРАФИИ139та в главе 3 упоминалось, что этот про¬
цесс можно трактовать как распростране-
лие тепловых пакетов, перемещающихся
между поверхностями изделия и дефекта
С ростом глубины проникновения тепло¬
вого пакета количество высокочастотных
компонент в спектре динамической тем¬
пературы уменьшается Таким образом,
слои изделия выполняют роль своеобраз¬
ных частотных фильтров Качественно это
означает, что приповерхностная область
изделия может зондироваться относитель¬
но высокочастотными волнами, что ис¬
пользуется в методе тепловых волн, а глу¬
бинные дефекты предпочтительно выяв¬
лять низкочастотными волнами При этом
специфическую информацию несет также
сдвиг фазы между возбуждающей и реги¬
стрирующей волнойФеноменологически предпочтитель¬
ность использования импульсной термо-
урафии для одностороннего ТК можно
проиллюстрировать следующим рассуж¬
дением Известно, чго 1) более глубокие
дефекты характеризуются более слабыми
температурными сигналами, 2) в спектре
Фурье прямоугольных или им подобных
импульсов низкочастотные компоненты
Hecyi больше мощности, чем высокочас¬
тотные С учетом того, что обнаружение
глубоких дефектов требует волн более
низких частот, вышесказанное означает,
что стимуляция изделия прямоугольным
импульсом (или импульсом Дирака) явля¬
ется оптимальной для обнаружения скры¬
тых дефектов по всей глубине изделия
Очевидно, что на практике возможны ог¬
раничения, связанные с технологически
доступной мощностью нагрева, спек¬
тральным составом потока нагрева, допус¬
тимым перегревом образца, шумами и т п
Основное отличие Фурье-анализа,
используемого в ТК, от стандартных про¬
цедур обработки двумерных изображений
заключается в его "одномерности", по¬
скольку оно применяется к временнбму
развитию сигналов Таким образом, Фу-
рье-анализ в ТК используют для исследо¬
вания динамических последовательностейИК-изображений Определенная труд¬
ность в интерпретации изображений фазы
(фазограмм) и амплитуды (модулограмм)
в Фурье-пространстве состоит в том, что
результаты преобразования Фурье зависят
как от величины интервала оцифровки
температурных данных, так и от числа
этих интервалов Тем самым подвергается
сомнению возможность получения обоб¬
щенных калибровочных зависимостей,
которые позволили бы, например, осуще¬
ствлять тепловую томографию путем ана¬
лиза сдвига фазРассмотрим как практически осуще¬
ствляют Фурье-преобразование временнбй
последовательности термограмм Исполь¬
зуем преобразование Фурье F„ принятое в
физике■ <51>где fn - дискретная исходная функция,
содержащая N отсчетов (N термограмм в
последовательности), s - частота,у - мни¬
мая единица, п - номер отсчетаПусть анализируемая последователь¬
ность содержит 20 временных отсчетов
температуры, начиная с нулевого момента
времени т = 0,те• нулевой момент времени х = 0 со¬
ответствует (*-») точке 1,• момент времени т = 0 + Дт*->
точке 2,• момент временит = 0 + 2Дт*->
точке 3,• момент времени т = 0 +19Ат *-»
точке 20,где Дт - интервал между соседними изо¬
бражениями (одинаковый для всей после¬
довательности)Последовательность Т изображена на
рис 5 3, а Модуль М и аргумент (фаза) Ф
преобразования Фурье для данной после¬
довательности приведены на рис 5 3, б, в
Важно подчеркнуть, что, в отличие от
ряда других алгоритмов ТК, например,
метода оптимального наблюдения или
динамической тепловой томографии, им¬
140Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХРис. 53. Типичная функция изменения поверхностной
температуры во времени (а) и параметры ее Фурье-образа(б) и (в)пульсная фазовая гермография требует
накопления информации в течение дли¬
тельного времени, что позволяет анали¬
зировать низкие частоты, необходимые
для обнаружения глубоколежащих дефек¬
тов С другой стороны, интервал времени
между соседними термограммами должен
быть мал, чтобы обеспечить высокие час¬
тоты в спекгре Фурье, необходимые для
обнаружения приповерхностных дефектов
(при выполнении этого условия, цен¬
тральная часть спекгра на рис 5 3, б спа¬
дает почти до нуля) Поэтому импульсная
фазовая термография обычно имеет дело с
последовательностями, состоящими из
нескольких сотен изображенийК настоящему времени, преимущест¬
ва импульсной фазовой термографии были
продемонстрированы в основном на каче¬
ственном уровне, однако чувствитель¬
ность метода к структурным дефектам
настолько высока, что его используют в
качестве тестового при проверке других
алгоритмов5.5.2. Количественный подход к
фазовой термографии. Эксперименталь¬
ной иллюстрацией количественного под¬
хода к данному методу может служить ТК
ударного повреждения в углепластиковом
композите толщиной 2 мм Нагрев осуще¬
ствляли тремя импульсными лампами с
общей энергией 9 кДж и длительностью
импульса 10 мс [52] Переходный тепло¬
вой процесс записывали в течение 5 с с
интервалом 66,7 мс (74 термограммы впоследовательности) Это позволило про¬
анализировать следующие частоты в спек¬
тре Фурье 0 Гц, 0,202 Гц, 0,404 Гц и тд.
Исходная гермограмма, полученная через
1,3 с после окончания импульса нагрева,
дана на рис 5 4, а, иллюстрируя извест¬
ную форму ударного повреждения в виде
"бабочки" (См цветную вкладку) На
ультразвуковой С-скеннограмме можно
обнаружить до пяти дефектов, располо¬
женных на различных глубинах и развер¬
нутых по направлениям волокон углепла¬
стика Результаты тепловой томографии
данного образца позволили обнаружить
четыре дефектные зоны, две из которых,
расположенные на глубинах от 0,3 до
0,7 мм (зона А на рис 5 4, а) и от 1 до 1,5
мм (зона Б на рис 5 4, а), хорошо видны
даже в исходных изображенияхКривая изменения температуры в
бездефектной зоне Ttej(j, у, т) показана для
данной последовательности на рис 5 4, б.
Нулевой отсчет температуры был сделан
перед нагревом, когда температура изде¬
лия была равна температуре окружающей
средыСпектры модуля М и фазы Ф преоб¬
разования Фурье, полученные для функ¬
ции на рис 5 4, б, показаны на рис 5 4, в%
г Ниже рассмотрены, в основном, фазо¬
вые характеристики, хотя дальнейшее раз¬
витие данного метода может потребовать
использование амплитудных спектров с
последующим возвращением в область
реального времени
МЕТОД ИМПУЛЬСНОЙ ФАЗОВОЙ ТЕРМОГРАФИИ141*?, рад-0,4-0,5-0,6-0,7-0,8-0,9
-10,2 0,55 0,9 1,25 1,6 /,мм~
б)Рис. 5.5. Модуль (а) и фаза (б) тепловой волны на различных частотах в
зависимости oi глубины залегания дефекта в углепластике толщиной 2 мма)В данном примере преобразование
Фурье применено только к спадающей
части температурного сигнала, следующей
за импульсом нагрева (на практике, дли¬
тельность импульса нагрева 10 мс была
слишком малой для его уверенной регист¬
рации с использованной частотой выборки
15 Гц) Тем не менее, вид Фурье-образов
изменяется в зависимости от того, имеют¬ся ли в исходной последовательности отсче¬
ты перед нагревом (сравни! ь графики на
рис 5 4, б-г) В частности, наличие перво¬
го отсчета перед скачком температуры
приводит к появлению отчетливого экстре¬
мума в зависимости фазы от частоты (рис
5 4, г), наличие которого позволило синте¬
зировать изображения максимальной фазы
в ряде работ [51]
142Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХПрименяя преобразование Фурье к
результатам компьютерного моделирова¬
ния процесса нагрева пластины из угле¬
пластика с расслоением, были рассчитаны
калибровочные зависимости модуля и фа¬
зы Фурье-образов от глубины дефектов /,
изображенные на рис 5 5 Видно, что• модули образов Фурье быстро
спадают с ростом глубины и достигают
плато для глубоких дефектов (рис 5 5, а),
при этом возникает слабый минимум, ко¬
торый имеет то же происхождение, что и
на рис 3 10 (см п 3 2 3), амплитуда пла¬
то, ио-видимому, связана с толщиной из¬
делия и соответствует переходу к полу-
бесконечной геометрии,• в общем случае, фазы образов
Фурье обнаруживают два экстремума
(рис 5 5, б), приближенно можно считать,
что на любой частоте фаза уменьшается в
пределах определенного приповерхност¬
ного слоя, достигая минимального значе¬
ния, которое сдвигается в сторону более
глубоких дефектов для более медленных
тепловых волн, затем фаза вновь возраста¬
ет и достигает плато аналогично модулю,• наличие плато в обеих рассмот¬
ренных выше зависимостях доказывает,
что зондирование материала может быть
осуществлено только в пределах опреде¬
ленных глубинНаличие экстремумов в зависимости
фазы от глубины дефекта может сделать
тепловую дефекгомегрию затруднитель¬
ной Предельную глубину обнаружения
дефектов можно оценить путем анализа
модуля и/или фазы Пусть максимальная
глубина зондирования соответствует на¬
чалу плато в соответствующих зависимо¬
стях Такое предположение кажется при¬
емлемым в отношении модуля (рис 5 5,
я), но может вызвать сомнение в случае
фазы из-за специфического характера по¬
лученных зависимостей Для профилиро¬
вания глубины дефектов можно использо¬
вать как нарастающую, так и спадающую
части зависимости фазы от глубины
(рис 5 5, б), однако нарастающая частьданной зависимости является менее чув,
ствительной к глубине дефектов, особенно
в области низких частот Принимая во
внимание вышесказанное, можно заклю,
чить, что фазовые компоненты спектра, в
зависимости от частоты и типа материала,
проникают в объект контроля глубже, чевс
амплитудные Применяя метод наимень- -
ших квадратов, получены следующие
оценки для максимальной глубины про*никновения фазы и модуля ампли-гуды 1*£ [52]0,82л^/-°44,1ЙГ-1.27 V^r°’34Уравнения (5 2) были получены дл*
углепластика Тем не менее, они прибли*
зительно справедливы и для других мате¬
риалов В общем виде соотношение глу¬
бин проникновения фазы и модуля ампли*
туды определяется следующей формулой:СГ/^'^,55/0’1, (5.3)которая показывает, что фаза проникает
на 55 % глубже модуля амплитуды, при¬
чем это соотношение слабо зависит от
частотыС помощью функций, изображенных
на рис 5 5, б, можно получить калибро¬
вочные зависимости глубины залегания
дефекта от фазы [52] На рис 5 6, а приве¬
дена фазограмма образца из углепластика,
полученная на частоте 0,2 Гц, близкой к
оптимальной для рассматриваемого слу¬
чая (См цветную вкладку) По сравнению
с исходной термограммой на рис 5 4 фа¬
зограмма характеризуется лучшим визу¬
альным восприятием формы дефекта.
Предпочтительность фазограммы была
доказана путем определения отношения
сигнал/шум S для зоны Бч которое соста¬
вило S = 7,2 в фазограмме и S = 2 соответ¬
ственно в исходном изображении5.5.3. Фазовая томография. Фазо¬
вые томограммы были получены выделе¬
нием на фазограмме рис 5 6 пикселей,
МЕТОД ВЕЙВЛЕТ (ВОЛНОВЫХ) - ОБРАЗОВ143характеризующихся определенными зна¬
чениями фаз, что соответствовало опреде¬
ленным координатам слоев [52] Почти
линейный характер полученной зависимо-
схя позволил преобразовать фазу в глуби¬
ну простым пропорциональным пересче¬
том. Например, томограмма на рис 5 6, б
доказывает приповерхностную часть де¬
фекта в интервале фаз Ф = 1,35 1,45 рад,
qjo соответствует глубинам дефекта в
диапазоне / = 0,82 0,94 мм Томограммы
на рис 5 16, я, г относятся соответственно
кслоям / = 0,94 1,06 мм и l> 1 мм5.6. МЕТОД ВЕЙВЛЕТ
(ВОЛНОВЫХ)-ОБРАЗОВМетод вейвлет-образов (wavelet
transforms), первоначально разработанный
в 80-х годах прошлого столетия для обна¬
ружения кратковременных сигналов на
шумовом фоне, например отраженных от
цели сигналов радиолокационных стан¬
ций, в ТК был впервые использован
К Мандатом с сотрудниками в качестве
альтернативы преобразованию Фурье, не¬
достатком которого является потеря ин¬
формации о характерных временах про¬
цесса [53,54]Вейвлет -преобразование действи¬
тельной непрерывной функции Дт) по от¬
ношению к действительной вейвлет-
функции g, называемой базисной, опреде¬
ляют как(54)где и - параметр сжатия (dilation), b -
параметр положения (location), w(u) -
весовая функция, которая позволяет ви¬
зуализировать результат преобразования
Вейвлет-преобразование можно рассмат¬
ривать как кросс-корреляцию сигнала с
набором вочновых функций (wavelets) раз¬
личной "ширины" Обычно полагаютw (и) = и или и{и) = Иногда вейвлет-преобразование называют математиче¬
ским микроскопом, в котором и1 и b соот¬ветствуют усилению (magnification) и по¬
ложению (location) сигнала Иными сло¬
вами, вейвлет-преобразование позволяет
выявлять периодические структуры, свя¬
занные с конечным диапазоном иДискретная форма представления
уравнения (5 4) для временной последова¬
тельности *(/) имеет видПользователь обладает определенной
свободой выбора вида вейлет-функции, но
при этом должны соблюдаться следующие
условия• волновая функция должна обла¬
дать конечной энергией, т еЛ#(т02|л<со,• если G(co) - преобразование Фу¬
рье от £(т),то ||с(а))2|(1/а))diwcoo,теволновая функция не должна иметь нуле¬
вой частоты (постоянного уровня сигна¬
ла)Комплексные волновые функции
должны также отвечать следующему ус¬
ловию• Фурье-преобразование должно
быть действительной функцией и стано¬
виться пренебрежимо малым при со < 0Часто используют вейвлет-функцию
типа "мексиканской шляпы"*00 = <1-?)2«-/,/2 (5 6)Дискретное выражение вейвлет-
преобразования с использованием "мекси¬
канской шляпы" имеет простой видВ ТК используют базисную функцию
Морле, а вышеуказанные параметры раз-
144Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХRe [ Fa(co) ]Рис. 5.7. Преобразование Фурье
от функции Морлеложения называют фактором трансляции
Тг (translation) и масштабирующим фак¬
тором S (scale)+лW(S,Tr)= jT(x)hSTl{x)ck, (5 8)-согде W - обозначает вейвлет-преобра-
зование, и hSTl является дочерней функци-ей, которая связана с материнской функ¬
цией выражениемhsT,(x)=7sh(1~p:) (59)Поскольку масштабирующий фактор
связан с частотой, а фактор трансляции -
со временем, в методе вейвлет-функций не
теряется информация о времени, необхо¬
димая для оценки глубины залегания
дефектовВейвлет-преобразование можно рас¬
сматривать как корреляцию между сигна¬
лом и отмасшгабированной материнской
функцией Так, если Fr(co) - Фурье-образсигнала Т(т), a Fh(со) - Фурье-образфункции h(х), то вейвлет-преобразованиеможно рассматривать как обратное преоб¬
разование Фурье от произведения указан¬
ных образовW(S,Tr) = 2— |Fr (to) Fh (ш)е-у<0 г ckо
271 J-ос(5 Ю)Произведение интервалов времени и
частоты должно удовлетворять принципу
неопределенности ГайзенбергаАх Аса >0,5 (5 11)Материнскую функцию Морле опре-
деляют какй(^)=e■/“„тe■t,,2, (5 12)где ©о ~ размер волновой функции Морле.
Функция Морле - произведение базы пре¬
образования Фурье, ответственного за
частотный анализ, на окно Гаусса, описы¬
вающего временные параметры На
рис 5 7 показан образ Фурье от функции
Морле, который включает две гауссовские
функции, сдвинутые на со0 и -со0 Таким
образом, масштабирующий фактор позво¬
ляет исследовать различные частоты при
временах, определяемых фактором транс¬
ляции С учетом принципа Гайзенберга,
каждый веивлет-образ определен внутри
прямоуюльника АхАсо вокруг S и Тг Ука¬
занное ограничение точности позициони¬
рования вейвлет-функций влияет на выбор
соо Неопределенность значений А Тг и глу¬
бины залегания дефекта / возрастает с
увеличением со0 и уменьшением АсоВейвлет-преобразование декоррели-
рует одномерный сигнал (функцию вре¬
мени) в двумерный сигнал (функцию вре¬
мени и масштабирующего фактора), что
приводит к росту объема сопутствующих
вычислений Для их сокращения предло¬
жено использовать два известных в ТК
выражения, которые связываютвремя наблюдения с глубиной зале¬
гания дефекта и длину тепловой диффузии
с частотойх = 12/а и \х = V2я/ю (5 13}Комбинация этих выражений при
/ = ц приводит к условиюх = 2/со (514)
ТЕПЛОВАЯ ДЕФЕКТОМЕТРИЯ145фактор трансляции Тг соответствует
времени наблюдения т, а масштабирую¬
щий фактор S - ю0/со Связь этих двух
параметров дается соотношениемs^YTr (515)Использование последнего выраже¬
ния позволяет сохранить размерность
анализируемого сигнала, рассчитывая зна¬
чение масштабирующего фактора S для
каждого значения Тг Значения Тг 01рани-
чены временем измерения, поэтомуW[S,Tr)= [г(т) , 1 4
1 VO,5(D07V I, 0,5 со0 J(5 16)Как и в случае образа Фурье, вейв¬
лет-образ содержит действительную и
мнимую часгь и поэтому позволяет опре¬
делять фазовые характеристики в про¬
странстве образов (что и позволило огне-
сти данный метод к импульсной фазовой
термографии) Вейвлет-образы харакгери-
зуются теми же особенностям, что и Фу-
рье-образы Фазу вейвлет-преобразования
используют для обнаружения дефектов, в
частности, для сегментации дефектов
применяют оператор Собеля [54] В свою
очередь, калибровка фактора трансляции
(разность пиксельных значений Тг) позво¬
ляет оценить глубину залегания дефектов
Фактор трансляции, будучи по сути
аналогом времени, обеспечивает макси¬
мум "видности" дефектов определенного
размера на определенной глубине Для
того, чтобы не вводить двойную калиб¬
ровку по размерам дефекта и глубине,
предложено использовать ранние времена
наблюдения, при которых, как показано в
главе 3, температурные сигналы слабо
зависят как от понеречных размеров де¬
фектов, так и о г толщины дефектов, со¬
храняя сильную зависимость от их глуби¬
ны залеганияВ ТК мегод вейвлет-функций являет¬
ся малоизученным, а его преимущества -дискуссионными, поскольку изменение
сигналов от дефектов А7\т) во времени
носит не импульсный, а сглаженный ха¬
рактер5.7. ТЕПЛОВАЯ ДЕФЕКТОМЕТРИЯВ главе 4 были рассмотрены алго¬
ритмы тепловой дефекгометрии, позво¬
ляющие с помощью математических
приемов определить требуемые параметры
изделий и внутренних дефектов Очевид¬
но, что точность тепловой дефекгометрии
тем выше, чем больше параметров модели
известно с требуемой точностьюПриближенно можно констатировать,
чго 1) поперечные размеры внутренних
дефектов могут быть непосредственно
оценены по поверхностным темпера гур-
ным "огпечаткам" этих дефектов или пу¬
тем простого анализа поверхностных про¬
филей с погрешностью 5 10 %, 2) глу¬
бину залегания дефектов можно опреде¬
лять с точностью 20 30 %, 3) толщину
дефектов, или их тепловое сопротивление,
можно оценивать с точностью 30 60 %
Практически применяют две группы спо¬
собов решения задач дефекгометрии1) использование формул инверсии,2) итерационные способы сближения рас¬
четных и экспериментальных данных (ме¬
тод минимизации функционала)Как результат дефектометрии, воз¬
можно построение искусственных изо¬
бражений, в которых каждый пиксель вы¬
ражают в единицах оцениваемого пара¬
метра, например, при оценке глубины и
толщины скрытых дефектов были пред¬
ложены термины "глубинограмма" и тол-
щиногримма"Тепловая дефект оме грия (на основе
формул (4 9), те синтезе максиграмм и
таймограмм) приведена на рис 5 8 (см
цветную вкладку) Углепластиковая па¬
нель толщиной 2 мм имела ребра жестко¬
сти на задней поверхности, два расслоения
и одну зону утонения материала (рис 5 8, а)
Термограмма в оптимальный мо*мент вре¬
мени показана на рис 5 8, б С помощью
146 Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХпрограммы ThermidgePro получены глу-
бинограмма и толщинограмма изделия,
приведенные на рис 5 8, в, г В безде¬
фектной области глубинограммы пиксель¬
ное значение равно 2 мм, что соответству¬
ет толщине изделия (на толщино1рамме
соответствующее значение равно нулю)
Толщина материала в зоне утонения была
равна 1 мм, что хорошо соотвеютвует
пиксельному отсчету на глубинограмме,
равному 0,94 мм (следует заметить, что
соответствующий отсчет на толщино-
грамме не имеет смысла ввиду того, что
принятая модель не описывает утонения)
Наконец, глубина обоих расслоений со¬
ставила 1,3 мм, что было подтверждено
разрушением изделияФормулы дефектометрии, будучи
примененными к зашумленным экспери¬
ментальным данным, могут приводить к
нереалистичным оценкам дефектных па¬
раметров Поэтому на практике вначале
определяют зоны интереса (Regions of
Interest - ROI) и устанавливают соответст¬
вующие пороговые значения, как эго сде¬
лано в случае данных на рис 5 8, хотя при
этом возможен пропуск малых дефектов5.8. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА
СКРЫТОЙ КОРРОЗИИКоличественная оценка локальной
коррозии (уноса материала) есть одно из
направлений дефектометрии и выделена в
отдельный параграф ввиду практической
важности этого приложения ТК В п 2 7 3
была приведена простая формула (2 41)
инверсии экспериментальных данных
AL / L = 1 - Tnd / Td , позволяющая оцени¬
вать относительный унос материала
ALIL по контрасту температурыФормула хорошо работает в случае тонких
изделий, прежде всего металлических, в
которых размеры зон коррозии сущест¬
венно превышают толщину изделийБолее общий подход к оценке корро¬
зии был описан в работе [35] При умень¬
шении размеров зон коррозии диффузия
тепла в поперечных направлениях начина¬ет снижать амплитуду сигнала АТ и раз*
мывать его форму Таким образом, тод
ность оценки AL/L по формуле (2.4tj
зависит от момента наблюдения и othq4
шения поперечного размера зоны коррс^
зии к толщине изделия h!L При малы£
значениях h!L существует момент времен
ни, когда погрешность оценки коррозий
минимальна, поэтому ее следует произвол
дить тогда, когда разность температэдд
ДДт) в зоне коррозии и в бездефектны^
зонах достигает максимума Ориентиру
вочно это происходит прит = (0,5 2)L2la, (5 1$причем значение численного коэффициент
та возрастает с ростом теплопроводное^
материалаДля учета трехмерной диффузии тец;
ла в формулу (2 41) вводят поправочны^
коэффициенты, которые зависят от вида*
мого размера зоны коррозии5.9. ИК-ТЕРМОГРАФИЯ НА
ТЕПЛОВЫХ ВОЛНАХ5.9.1. Синхронная оптическая его*
муляция. Как отмечалось выше, период^
ческие тепловые волны проникают тек
глубже в твердое тело, чем ниже их чается
та Тем не менее, дефекты определенно^
типоразмера могут потребовать оптимиза¬
ции зондирующей частоты В классиче*
ской фототермии (photothermal radiomen
try) используют тепловые волны высоки!
частот, типичная глубина проникновение
которых не превышает долей миллиметр#
Снижение частоты и получение тепловы|
изображений большого формата при noTOf
чечной схеме сканирования потребовал^
бы недопустимо длинных времен контра?
ля например получение изображения 03S
делия, состоящего из 320 х 240 точек прй
реалистичном времени анализа каждоЗ
точки 10 с составило бы 9 сутокС появлением компьютерной ИК*;
термографии стал возможным ТК достЯ*
ИК-ТЕРМОГРАФИЯ НА ТЕПЛОВЫХ ВОЛНАХ147точно больших площадей путем синхро¬
низации полученных пиксельных отсчетов
с периодической функцией нагрева (рав¬
номерный нагрев больших зон) Метод
тепловых волн в ИК-термографическом
контроле предложен Д Карломаньо и
П. Берарди еще в 1976 г [56] и практиче¬
ски усовершенствован другими исследо¬
вателями [57-61] Метод получил назва¬
ние синхронной оптической термографии
(optical lock-m themography) Очевидно,
^хо его наилучшие возможности реализу¬
ются при обработке данных в фазовой
области Фазограммы получают с помо¬
щью преобразования Фурье, однако запа¬
тентованная Г. Буссе и др технология
контроля предусматривает более простой
способ, при котором исходную последова¬
тельность термограмм заменяют четырьмя
эквидистантными изображениями S}_4, а
фазограммы синтезируют согласно выра¬
жению [57]Ф = arctg (5 18)Использование отношения амплитуд
позволяет существенно снизить влияние
неоднородного нагрева на результаты ТК,
что вообще характерно для фазовой обра¬
ботки тепловизионных сигналов Коммер¬
ческая аппаратура, реализующая данный
метод, в течение некоторого времени вы¬
пускалась германским филиалом фирмы
AGEMA Infrared Systems (ныне FLIR Sys¬
tems), однако большого распространения
не получила, в том числе и ввиду отсутст¬
вия явных преимуществ по сравнению с
процедурой импульсного ТК Тем не ме¬
нее, лабораторные исследования ИК-
термографии на тепловых волнах проде¬
монстрировали ряд ее полезных свойств,
например, возможность оценивать струк¬
турную целостность больших участков
фюзеляжей самолетов, которые в силу не¬
планарной геометрии подвержены силь¬
ному влиянию неоднородного нагрева при
СГанДартной процедуре импульсного на¬грева [58] (следует отметить, что обработ¬
ка сигнала во временной области приво¬
дит к тем же результатам, что и частотный
анализ) Для нагрева использовали 6 ламп
мощностью 1 кВт каждая, излучение ко¬
торых модулировали с частотой 0,015 Гц
Расслоения между стрингерами и корпу¬
сом обнаруживали в течение 4 мин при
обследовании зоны площадью до несколь¬
ких кв м Метод позволил получить ин¬
формативное изображение горизонтально¬
го стабилизатора самолета Do-328 с рас¬
стояния 3 м, хотя идентификация скрытых
дефектов потребовала тщательного анали¬
за отдельных термограмм Аналогичная
система ТК была использована для оценки
теплового сопротивления контакта двух
металлов чугун (2 мм) - алюминий (3 мм)
[61] Частоту модуляции изменяли от
0,01 Гц до нескольких Гц, запись термо¬
грамм производили с частотой 15 Гц в
течение 20 200 с Полученные результа¬
ты были достаточно обнадеживающими
дпя того, чтобы сделать вывод о перспек¬
тивности использования данного метода
для оценки теплового сопротивления ме¬
жду прокладкой и блоком цилиндра в дви¬
гателях внутреннего сгорания5.9.2. Синхронная ультразвуковая
стимуляция (периодическая и импульс¬
ная). Оптимальная стимуляция объекта в
ТК должна повышать его температуру
только в случае наличия дефекта Подоб¬
ную процедуру можно реализовать при
ультразвуковом (УЗ) возбуждении мате¬
риалов, поскольку источником сущест¬
венного повышения температуры является
внутреннее трение стенок дефектов при их
облучении УЗ-волнами При этом удается
реализовать как принцип оптимального
нагрева, так и преимущества метода син¬
хронизации функции нагрева и регистри¬
руемых температурных отсчетов Данный
метод разрабатывется независимо группой
Г Буссе (Штуттгартский университет,
Германия) под названием "синхронная
ультразвуковая термография11 (ultrasonic
148 Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ4 J.'1 ■*** ^ b 4. *■/* *'^ V'? *\?'X **■': ’. :4 > ^ % -~хь% * i.* * 4 **' ' ^v;д'чч^гч -*■‘‘Г№‘.;/FV ATУЛ.naiiiHiiiiniiiiiiiiimiiiToniAУЗ - излучательРис. 5.9. Мегод тепловых волн (ультразвуковая стимуляция)lock-in thermography) [62-64], а также
Р Томасом, Л Фавро и др (Университет
Уэйна, США) [65], которые используют
термин "звуковое ИК-видение" (sonic IR
imaging), или 11термозвуковой метод"
(thermosomcs)Различие в способах поверхностною
оптического и объемного УЗ-нагрева про-
илюстрировано на рис 5 9 При поверхно¬
стном нагреве избыточный температур¬
ный сигнал возникает не только над де¬
фектом, но и в бездефектных зонах, что
приводит к появлению шумового текуще¬
го контраста, обусловленною неоднород¬
ностями поверхности Ультразвуковая
стимуляция создает преимущественно
температурный сигнал только в зоне де¬
фекта, а температура бездефектных участ¬
ков остается близкой к температуре ок¬
ружающей среды, что получило название
"принцип темного поля" (dark fild) В ре¬
зультате при прочих равных условиях воз¬
растает вероятность правильного обнару¬
жения дефектов (снижаются требования к
квалификации операторов) Следует заме¬
тить, что форма температурного сигнала
при УЗ-стимуляции далеко не всегда сов¬
падает с формой сигнала, возникающейпри поверхностном нагреве (см рис 5.9),
во многих случаях только отдельные уча¬
стки внутренних дефектов генерируют
заметное количество тепловой энергия
вследствие трения стенок, поэтому топок
графия поверхностного температурой*
сигнала может быть связана с зонами раз*
вивающихся трещин и не отражать уж$
"сложившихся” дефектов jАвторами метода [63, 64] описац|
экспериментальная установка, в которой
УЗ-возбуждение изделий осуществляли!
упругими волнами частотой 20 кГц щ
мощностью несколько сотен Вт, амплит^
ду которых модулировали с частотой
1 Гц Для регис грации температуры Щ
пользовали тепловизор Jade II фирм&
CEDIP (Франция), который обеспечивав
запись термограмм форматом 320 х 240
частотой кадров до 200 Гц в спектрально^
диапазоне 3 5 мкм Время одного тест|
достигало 3 мин Объектами исследование
были композиционные материалы (угле* Щ
стеклопластики) и керамики, для которы|
продемонстрированы такие преимуществ^
ультразвуковой стимуляции как селекШ?
ность в отношении дефектов и эффектна
ИК ТЕРМОГРАФИЯ НА ТЕПЛОВЫХ ВОЛНАХ149ность использования энергии возбужде-
дяя. В частности, весьма эффективным
оказалось обнаружение трещин и расслое¬
ний в стрингерах элеронов, изготовленных
й3 углепластика, на частоте 0,4 Гц Другим
контролируемым материалом явился ар¬
мированный углеродными волокнами кар¬
бид кремния, который используют в кос¬
мических челноках, тормозах высокоско¬
ростных поездов и т п , т е там, где необ¬
ходимо противостоять быстрым и мощ¬
ным изменениям температурыАвторы исследования [63] полагают,
ijto УЗ-стимуляция позволяет обнаружи¬
вать те зоны, где развиваются трещины,
тогда как поверхностное оптическое воз¬
буждение хорошо выявляет относительно
большие участки с аномальными ТФХ
Применительно к заклепочным соедине¬
ниям алюминиевых листов, широко при¬
меняемым в авиации, установлено, что
обычные термограммы отражают влияние
заклепок на транспорт тепловой энергии и
малочувствительны к трещинам. Каргина
температурного поля при модулированной
УЗ-нагрузке более привязана к относи¬
тельным перемещениям соединенных лис¬
тов под нагрузкой В частности, при про¬
верке данных вихретокового контроля,
обнаружившего трещину вдоль ряда за¬
клепок, УЗ-термография показала, что
данная трещина хорошо выявляется на
частоте 0,06 Гц (мощность УЗ-стимуляции
600 Вт) и по сравнению с вихретоковым
контролем ее отметка имеет большую
Длину как на фазограмме, так и на моду-
лохраммеДальнейшее повышение конкуренто¬
способности метода УЗ-термографии свя¬
зано с увеличением вводимой энергии и,
соответственно, расширением зоны кон¬
троля, которая в настоящее время состав¬
ляет около 1 м2 (в целом в течение не¬
скольких минут удается проконтролиро-
вать несколько квадратных метров по¬
верхности самолета) При выборе пара¬
метров УЗ-нагревателя необходимо пре¬дотвращать образование стоячих волн, в
узлах которых возможен пропуск дефек¬
тов (на термограммах стоячие волны вид¬
ны в виде регулярных полос)Одним из основных недостатков ме¬
тода периодической УЗ-стимуляции явля¬
ется необходимость сохранять хороший
контакт между изделием и УЗ-сти-
мулятором в течение нескольких минут,
необходимых для проявления достаточно
глубоких дефектов Поэтому, по аналогии
с оптическим возбуждением, предложено
использовать для нагрева изделий корот¬
кие УЗ-импульсы (с определенной несу¬
щей частотой), а поверхностное темпера¬
турное поле исследовать с помощью теп¬
ловизора на стадии охлаждения (phase
angle thermography with ultrasound burst
excitation) [64] Экспериментальные ре¬
зультаты получены при обнаружении
трещины, проходившей по ряду заклепок
в алюминиевом стрингере авиационной
панели Длительность УЗ-им-пульса мощ¬
ностью 2 кВт составляла 100 мс Стадию
охлаждения исследовали в течение 3 с при
частоте записи термограмм 15 Гц Трещи¬
на была видна при 270 мс вследствие тре¬
ния ее стенок, однако интерпретация ис¬
ходных термограмм была затруднена на¬
личием шумов, а также нагревом изделия
вблизи УЗ-системы Оптимальные резуль¬
таты получены в результате Фурье-
обработки сигналов и формирования фа-
зограммКак и в случае поверхностного опти¬
ческого нагрева, импульсное возбуждение
позволяет стимулировать изделия на час¬
тотах, которые трудно или невозможно
получить с использованием периодиче¬
ских тепловых волн При этом можно по¬
строить большое количество фазограмм и
модулограмм, соответствующих спектру
Фурье импульса УЗ-стимуляции Основ¬
ным недостатком импульсного УЗ-
возбуждения является необходимость
прикладывать большую по сравнению с
модулированным УЗ-сигналом мощность,
что ставит под сомнение неразрушающий
характер испытаний и требует дополни¬
тельных мер по обеспечению безопасно¬
сти персонала
150 Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХРис. 5.10. Импульсная ультразвуковая ИК термография
(данные Р. Томаса, США):а - гермограмма многочисленных трещин (светлые зоны) в алюминиевой панели блока
цилиндра двигателя внутреннего сгорания, б - развитие трещины в зоне пропила в алюминиевой*
пластине толщиной 3 мм (длина трещины менее 1 мм)В работе [63] приведены сравнитель¬
ные данные по оптическому и импульсно¬
му УЗ-возбуждению при испытаниях из¬
делий авиакосмической техники Исполь¬
зованы УЗ-импульсы мощностью до
600 Вт и длительностью 100 мс (несущая
частота 20 кГц) Результаты УЗ-термо-
графии нризнаны наиболее информатив¬
ными при контроле композиционных ма¬
териалов, керамических покрытий на тур¬
бинных лопатках и заклепочных соедине¬
нийИсследования в Университете Уэйна
направлены на обнаружение трещин при
импульсном УЗ-возбуждении [65] Ис¬
пользуют "УЗ-пушку" для сварки (ultra¬
sonic gun) фирмы Branson, которая гене¬
рирует импульс мощностью 1 кВт и дли¬
тельностью 30 200 мс с несущей часто¬
той 20 кГц Импульс вводится путем пря¬
мого контакта через стальной рупор диа¬
метром 1,3 см, используя иммерсионную
пасту, процесс развития температуры на¬
блюдают в течение нескольких секунд
Подповерхностные трещины проявляются
в виде зон локального повышения темпе¬
ратуры на фоне практически "холодного"
изделия (см рис 5 10, а)Особенно отчетливо эффекты гене¬
рации тепла в области трешин проявляют¬
ся при записи последовательностей термо¬
грамм и их просмотре в виде ИК фильма(пример термограмм растущей трещины
длиной 1 мм приведен на рис 5 10, б).Метод УЗ термографии является пер¬
спективным, однако его особенности до'
сих пор изучены слабо, например, в нек£
горых случаях, где интуитивно следует'
ожидать возникновение динамически^
температурных сигналов, такие сигнал?
не регистрировались, по крайнец~мерн
помощью аппаратуры типа ThermoSoniX
фирмы Indigo Systems (см табл 7 1) Ди?
намический отклик обьекта контроля за£
висит от энергии возбуждения, способа,
закрепления объекта контроля и свойств
материала Частота УЗ-стимуляции доля?
на быть близкой к собственным частота*!
изделия с целью повысить эффективной!
генерации тепла5.10. АППРОКСИМАЦИЯ И
СГЛАЖИВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ
ТЕМПЕРАТУРНЫХ ФУНКЦИЙ ^Техника аппроксимации и сглажива-.
ния (fitting) пиксельных функций развили!
температуры во времени Ту(т) становится
все более популярной в силу следующий
факторов ?• в результате сглаживания полной
стью подавляется высокочастотный шум; ?• облегчается применение разнооб*
разных математических операций, напрй*
мер, деления,
АППРОКСИМАЦИЯ И СГЛАЖИВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ 151• последовательности ИК-изобра-
ясений произвольной длительности заме-
ияют изображениями коэффициентов раз¬
ложения, число которых, как правило, не
превышает шести, при этом сохраняется
возможность восстановления исходной
последовательности, не содержащей вы¬
сокочастотного шума,• параметры дефектов могут быть
связаны с отдельными коэффициентами
разложения подобно зависимостям ком¬
понент Фурье-спектра от глубины залега¬
ния дефектовИдея подгонки температурных экс¬
периментальных данных под соответст¬
вующие математические модели была ис¬
пользована П Верно еще в 1937 г в экс¬
периментах по определению ТФХ мате¬риалов, включая человеческую кожу [2J
Процедуры нелинейной фильтрации по¬
зволяют получить оптимальные оценки
сразу нескольких параметров ТК, таких
как размеры и глубина залегания дефек¬
тов, ТФХ, поглощенную энергию и интен¬
сивность поверхностной теплоотдачи (см
п 4 6)В качестве аппроксимирующих
функций используют комбинации экспо¬
ненциальных функций [66] и полиномы
различной степени [67]5.10.1. Полиномиальная аппрокси¬
мация. Вид аппроксимирующих функций
может быть позаимствован из классиче¬
ских решений теории теплопроводности
(табл 5 1)5.1. Полиномиальная аппроксимация в ТККлассическое решение, используемоеПолиномиальное представление временногов качестве ядра аппроксимацииразвития температурыЛогарифмическаяаппроксимация (J1A)Адиабатический импульсный нагрев по-луограниченного телаТ 1г(х) —> 1п(Г) = Aq + АуХ + Л2 х2 +W'ST4IIsrТ- поверхностная температура,(5 19)W- плотность поглощенной энергии,е = Х/4а - тепловая инерция,Т = ело+А1* (* = ln(x))X - коэффициент теплопроводности,а - коэффициент температуропро¬водности,т - времяКвадратичная аппроксимация(адиабатический случай) (КАА)Адиабатический нагрев полуограни-T (t) — Aq + Aj 14" A21ченного тела прямоугольным импульсом(^ГЕ_П~) (5 20)Т „ 1а(т—сА)
Q!\ V я V яНа V ta3 "“Длительность нагрева
152Г лава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХПродолжение табл 51Классическое решение, используемое
в качестве ядра аппроксимацииПолиномиальное представление временного
развития температурыКвадратичная аппроксимация
(неадиабатический случай) (КАНА)Неадиабатический нагрев полуогра-
ниченного тела прямоугольным импуль¬
сомQ/h -сН °{х ч)еф(н^а(х тА))- ен m erfc(ll-Jen ),
а - коэффициент теплоотдачи, И = cl/XТ(х) - А0 4 Ах г + А2 —- + А3 г - +
V т VT~TA W т)+ ^4 / , 4 (л/т)3 + Л (Vх ТА )3 +Ч*-ч)+ А7 (л/т)5 +^8(л/х-Т/,)5(5 21)Можно ожидав, что формулы в
табл 5 1 расположены в порядке возрас¬
тания сгепени их пригодности для ап¬
проксимации "бездефектных" т емпера-
турных кривых Тем не менее, на практике
эффективность аппроксимации зависит oi
ряда дополнительных факюров формы
импульса нагрева, интенсивности трех¬
мерной диффузии тепла, зависимости ко¬
эффициент теплоотдачи от времени и, в
особенное!и, от наличия отраженного из¬
лучения и остаточного нагрева после вы¬
ключения оптических нагревателей Про¬
стейшая графическая иллюстрация отно¬
сится к методу логарифмической аппрок¬
симации В п 4 1 было показано, что изме¬
нение температуры в адиабатической безде¬
фектной области после воздействия импуль¬
са Дирака описывается прямой линией в
координатах 1п(7) - 1п(г), а отклонения
экспериментальной функции от прямой
линии могут рассматриваться в качестве
сигналов от внутренних дефектовТочность аппроксимации при ис¬
пользовании метода наименьших квадра¬
тов определяется критерием "хи-квадрат"х2 -Г. (5 22)А-1 С*где Тк - экспериментально измеренное
значение температуры в А-й точке, Гу -значение аппроксимирующей функции в
момент времени тА, а* - стандартноеотклонение температуры в к-й точкеНа практике часто принимают, что
величина стандартного отклонения во
всех I очках постоянна Тогда оценка точ¬
ности аппроксимации примет видN5С?=2[ Tk-Tf{x = xk)f (5.23)JbiНеочевидно, чю аппроксимирующая
функция, обеспечивающая минимальное
значение %2, является оптимальной для
ТКВ табл 5 2 приведены результаты ап¬
проксимации температурных функций как
для бездефектных (БД), так и для дефекту
ных (Д) зон углепластикового образца
толщиной 1 мм (воздушное расслоение!»
глубине 0,5 мм) Видно, что для трех алго*.
ритмов в табл 5 2 не существует системы*
формирования знака и величины полишк
миальных коэффициентов для обеих зо$
поэтому применение этих коэффициентов
для тепловой дефекюмегрии представля¬
ется затруднительным
АППРОКСИМАЦИЯ И СГЛАЖИВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ1535.2. ТК углепластика толщиной 1 мм (воздушное расслоение толщиной 0,1 мм
на глубине 0,5 мм, нагрев в течение 1 с, шаг записи 0,1 с; полное время контроля
10 с; анализируется только стадия охлаждения)АлгоритмА2АзAsJIAх2 = 2,2 КГ7-0,056-0.1450,03590,0156-0,0099-0,0020.00082-0,231-0,0450,0266-0,015-0,00240.0012-0,0001-0,24113,9-73,2197-271182-46,50,1486,82-31,782-126111-42.8-0,00940,575-48,7-39,54,480,225X =1,3 Ю-0,490,00676-0,34842.033,7-2,43-3,12*Д-дефектная зона, **БД- бездефектная зонаПри анализе набора полиномиальных
коэффициентов можно провести опреде¬
ленную аналогию со спектральным анали¬
зом коэффициенты более низко! о порядка
несут больше "спектральной энергии",
тогда как коэффициенты более высокою
порядка ответственны за малые отклоне¬
ния 7(7,/, т) от "нормального" поведения
Нормализация данных. Важной ха¬
рактеристикой алгоритма ЛА является
автоматическая нормализация данных при
формировании изображений полиноми¬
альных коэффициентов порядка выше Aq
На рис 5 11 приведены результаты лога¬
рифмической аппроксимации данных, по¬
лученных при моделировании процесса
ТК иконы на дереве (См цветную вклад¬
ку) Красная зона на поверхности образца
моделирует двойной уровень поглощения
излучения нагрева по сравнению с черной
зоной (рис 5 11, а) Шесть дефектов рас¬
положены на двух глубинах 1 и 2 мм Ин¬
терпретация результатов контроля таких
изделий затруднительна вследствие "пят¬
нистого11 характера термограмм В
частности, изображение коэффициента Ао
(Рис 5 11, б) сохраняет все особеннности
исходных термограмм, тогда как изобра¬
жение Л i выравнивает амплитуды сигналасигнала в обеих зонах, выполняя
нормализацию данныхВ отличие от алюритма Л А, алго¬
ритм КАА оперирует с истинными темпе¬
ратурами и измененной шкалой времени,
поэтому он не обеспечивает нормализации
данных Например, изображения обоих
коэффициентов А0иА\ отражают эффекты
неоднородного нагрева (рис 5 12, а, б)
дереве (См цвегную вкладку) Наилучшая
"видность" всех шести дефектов имее!
место в изображении коэффициент Л2
(рис 5 12, б), юг да как изображение ко¬
эффициент А о на рис 5 12, в характери¬
зуется весьма искаженными "отпеча1ка-
ми" дефектов, иллюстрируя такую важ¬
ную черту изображений полиномиальных
коэффициентов как изменение шака сиг¬
налов от дефектов, расположенных на раз¬
личных глубинахВыявляемое! ь дефектов. После вы¬
полнения того или иного алюритма поли¬
номиальной аппроксимации дальнейшую
обработку можно применять как к восста¬
новленной последовательности, очищен¬
ной от шумов, так и к изображениям ко¬
эффициентов Ak(i,j), А{ 0,7), А2(/./)
Как отмечалось выше, полиномиальные
коэффициенты можно до некоторой степе¬
ни отождествить с компонентами спектра
154Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ5.3. Характеристики обнаружения трех дефектов в иконе на деревеИзображениеSИзображение А2 (КАА, полином 2-й степени)3,3Изображение А\ (КАА, полином 2-й степени)2,5Изображение А3 (КАА, полином 4-й степени)о00#Изображение А2 (JIA, полином 2-й степени)2,6Изображение А\ (ЛА, полином 2-й степени)0,2*Изображение А3 (ЛА, полином 4-й степени)0,8*Изображение %2 (полином 1-й степени)3,8Максиграмма4,4* Низкие значения S объясняются тем, что при полиномиальной аппроксимации дефекты
могут выглядеть как "теплее”, так и "холоднее11 фоначастот, поэтому следует ожидать, что вы¬
явление дефектов определенного вида
можно улучшить, анализируя изображе¬
ния определенных коэффициентов Ре¬
зультат будет зависеть от выбранного ко¬
эффициента и общего числа коэффициен¬
тов, использованных для аппроксимации
Трехмерный график на рис 5 13 изобра¬
жает зависимость отношения сигнал/шум
S от степени полинома и номера коэффи¬
циента при обнаружении самого глубоко¬
го дефекта 1 в иконе, термограмма кото¬
рой показана на рис 5 14, а (См цветную
вкладку) Нагрев в течение 5 с тепловым
потоком с плотностью энергии 3 кВт/м2
повышал температуру поверхности иконы
на 7 10 °С Икона содержала ряд искус¬
ственных и естественных дефектов, рас¬
положенных в первом слое гипса толщи¬
ной 2,2 мм Согласно графику на рис 5 13,
оптимальные условия обнаружения обес¬
печиваются изображением коэффициента
А\ при выборе полинома 3-й степени Со¬
ответствующее изображение приведено на
рис 5 14, бВыше отмечалось, что полиномиаль¬
ная аппроксимация низкой степени хоро¬
шо описывает эволюцию температуры вбездефектных зонах, тогда как полиноя
более высокой степени пригоден для ан$»
лиза дефектных зон Отсюда следует, чщ
согласно выражению (5 23), изображений
содержащее значения критерия %2 в сщ
дельных пикселях, также должно показь?
вать дефекты Очевидно, что значения ^
должны быть больше в зоне более "мощЗ
ных" дефектов вследствие более сильны!
отклонений от "бездефектного" повед^
ния Изображение %2 (i, j) на рис 5 14,^*
соответствует максимальному значений
S = 9,9 при выявлении наиболее глубокой
дефекта 1 В данном случае критерий
определен для разности между экспери^
ментальной последовательностью и ал£
проксимирующим полиномом 1-й стей&*
ниОдно из отличий изображений полй
номиальных коэффициентов, так же как|
фазограмм спектра Фурье, от термограмй
состоит в том, что сигналы от физическ|
однотипных дефектов могут иметь раЗ|
личные знаки в зависимости от глубййЦ
дефектов Это создает трудности вЩ
оценке степени оптимальности изображу
ний коэффициентов Например, в табл. 5^
АППРОКСИМАЦИЯ И СГЛАЖИВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ 155приведены значения отношения сиг¬
нал/шум S для всех трех дефектов, кото¬
рые обнаруживаются с помощью ТК в
иконе на дереве (рис 5 14, а) 1) разница в
значениях S для изображений %2 и А2, хо¬
рошо заметная на рис 5 14, уменьшается,
если рассматривать все три дефекта,2) дефекты на изображениях коэффициен¬
тов могут выглядеть как "теплее", так и
"холоднее" фона, поэтому, несмотря на то,
|цо эти дефекты надежно обнаруживают¬
ся, значения 5, усредненные по всем де¬
фектам, мохуг быть низкими, если при
расчете S использованы не абсолютные
значения АТ (рис 5 15, а), 3) самое
большое значение S обеспечено макси-
граммой (рис 5 15, б) (См цветную
вкладку)"Безэталонная" томография. Эф¬
фективность "классической" тепловой
томо1рафии, описанной в п 5 3 зависит от
степени однородности нагрева или каче¬
ства нормализации входных данных, по¬
скольку необходимо выбирать эталонное
значение температурного сигналаОчевидно, что любые количествен¬
ные оценки невозможны без эталона, тем
не менее можно ввести в рассмотрение
тепловую модель поведения температуры
в бездефектных зонах, которая будет од¬
ной и той же для всех пикселей изображе¬
ния При этом анализу подлежат только
отклонения экспериментальных значений
температуры от значений, предписанных
модельюДля модели ТК иконы на дереве
(рис 5 14) "классические" значения тем¬
пературных сигналов Т и АТ, рассчитан¬
ные для косинусоидально! о импульса на-
Ц>ева, показаны на рис 5 16, а Макси¬
мальное значение АТт = 0,45 °С имеет ме¬
сто при t* = tw= 6,8 с Эволюция безде¬
фектных и дефектных сигналов во време¬
ни была аппроксимирована с помощью
Двух полиномов 2-й и 6-й степени, диф¬
ференциальный сигнал был определен как^\rf " T^6)v f -Т{2\] / , где верхний ин¬декс обозначает степень полинома Оче¬
видно, что такая операция может быть
применена к каждому пикселю и не требу¬
ет выбора эталонной точки (предполагает¬
ся, что полином 2-й степени описывает
эволюцию бездефектных значений темпе¬
ратуры, а полином 6-й степени дополни¬
тельно описывает отклонения сигнала в
дефектных областях) Соответствующие
кривые показаны на рис 5 16, б, включая
значение A[ATd f - АТ^ j ], максимумкоторого, равный 0,16 °С, имеет место причто соответст¬
вует х =■ 13,5 с, если считать от начала на¬
грева, или х = 8,5 с, если считать от окон¬
чания импульса на] рева Поскольку во
временном развитии дифференциального
сигнала возникают локальные экстремумы
(рис 5 16, б), обусловленные наличием
скрытых дефектов, данный подход может
быть использован для осущес1вления
"безэталонной" томографииПринцип безэталонной томографии
рассмотрим на примере анализа искусст¬
венной последовательности на рис 5 11
Термограммы данной последовательности
отличаются существенной неоднородно¬
стью нагрева Алгоритм АТу j = Т^ь\; / --T^ijf применен к каждому пикселю,
причем полученные зависимости сигнала
от времени аналогичны рис 5 16, б На
рис 5 17, а показана тепловая гомограмма
слоя, который содержит дефекты на раз¬
личных глубинах (См цветную вкладку)
Эталонным значением служит нулевой
уровень сигнала, поскольку соответст¬
вующие функции, аналогично рис 5 16, б,
уже являются дифференциальными Вы¬
бранный слой можно разделить на два
слоя, чтобы показать семейства дефектов,
расположенных на различных глубинах
(рис 5 17, б, в) Данные на рис 5 17. я, б
получены без введения амплитудного по¬
рога Томограммы рис 5 17, г-е получены
с помощью классического алгоритма теп¬
ловой томографии с использованием поро-
156Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХДГ,0СРис. 5.16. Изменение дифференциальных сш налов
во времени при ТК иконы на дереве(Q = 3000 Вт/м2, т/, = 5 с, L = 20 мм, глубина дефекта 2,2 мм, толщина дефекта 0,2 мм)а - сигналы Т и Д71(т), б - сигналы Т^ (КАА алгоритм)говой отсечки сигнала, что является стан¬
дартной процедурой при анализе зашум¬
ленных данных Томограмма рис 5 17, г
аналогична томограмме рис 5 17, а Вид¬
но, что ’’классическая" томограмма содер¬
жит артефакты, которые имеют место как
вокруг дефектов ("корона"), так и в зоне
перехода между двумя областями с раз¬
личной поглощенной энергией Изобра¬
жения дефектов, расположенных под зо¬
ной перехода, также больше искажено в
"классической" томограмме Соответст¬
венно, гомограмма на рис 5 17, д анало¬
гична томограмме рис 5 17, б Данная
томограмма содержит большое число
ложных сигналов, поскольку при ее фор¬
мировании не был введен амплитудный
порог Использование порога существенно
улучшило качество изображения (см
рис 5 17, ё)5.10.2. Экспоненциальная аппрок¬
симация (тонкие теплопроводные изде¬
лия). Температурный отклик на передней
поверхности тонких теплопроводных из¬
делий после воздействия прямоугольного
импульса (или импульса Дирака) может
быть аппроксимирован функцией (4 7)rF(T)=p, г*’+ Р3 е-Р4(5 24)причем коэффициенты рз и |34 связаны
соответственно с глубинами залегания
дефектов / и их тепловыми сопротивле¬
ниями Rd Таким образом, возможно по¬
строение изображений данных коэффици¬
ентов, в которых пиксельные значения
будут отражать значения соответствую¬
щих дефектных параметров [66]5.10.3. Временные производные и
"синтетическая11 обработка данных
импульсного ТК. При одностороннем
импульсном ТК температурные сигналы
над типичными дефектами на стадии ох¬
лаждения изменяются медленнее, нежели
в бездефектных зонах, из-за менее интен¬
сивного отвода тепла в глубь изделия че¬
рез дефект Поэтому, наряду с анализом
температурных функций Т(т), представля¬
ет интерес исследование временного раз¬
вития первой (дТ( т)/3т) и второй
(д2Г(т)/дт2) производной от температуры
по времени Преимущества производных
как чисто математических функций оче¬
видны, тем не менее, С Шепард и др сде¬
лали попытку объяснить их роль с точкя
зрения анализа диффузии тепла [67]. Раз*
работанный авторами подход не является
абсолютно строгим, однако он лег в осно¬
ву метода синтетической обработки (syn¬
thetic processing) данных импульсного ТК
НОРМАЛИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ТЕРМОГРАММ157который реализован в коммерческой ап¬
паратуре фирмы Thermal Wave Imaging
Согласно данному методу, в безде¬
фектных зонах тепловой поток, не возму¬
щенный влиянием дефектов, является од¬
номерным и описывается уравнениемд2Т 1ST— = -—, (5 25)dzа отрешение которого для поверхности рав¬
номерно нагреваемого полуограниченного
тела имеет канонический вид (см
табл. 2 4)T(z = 0) = -jL(5 26)Над слаботеплопроводным дефектом,
тепловой погок попадает в своего рода
"ловушку" и начинает преимущественно
распространяться в поперечных направле¬
ния в сторону более низких "бездефект¬
ных" температур Тогда диффузию тепла в
дефектных зонах можно считать двумер¬
ной согласно уравнениюv’ Т = 1ЁIX,vа дх(5 27)Таким образом, происходит условное
разделение трехмерного процесса диффу¬
зии тепла на "нормальную" и "попереч¬
ную" фазы Переход из одной фазы в дру¬
гую связан с концепцией оптимального
времени наблюдения (optimal observation
time, peak slope time), причем в рамках
метода синтетической обработки время
наблюдения определяют по поведению
производныхПоскольку применение операции
взятия производной от зашумленной
функции увеличивает шум (за счет расши¬
рения частотного спектра сигнала), суще¬
ственным моментом метода является по¬
линомиальная аппроксимация экспери¬
ментальных функций Т(т) с использовани¬
ем ДА аппроксимации Логарифимическое
представление 1) снижает влияние конеч¬
ной длительности импульса нагрева,2) приводит поведение "бездефектных"
пикселей к линейной функции с наклоном3) действует как фильтр низких час¬тот, подавляя высокочастотный шум ИК
системы и оставляя неизменными низко¬
частотные эффекты, связанные с дефекта¬
ми Вторым шагом процедуры является
восстановление последовательности с по¬
мощью определенных полиномиальных
коэффициентов по формуле (5 19) Это
дает следующие преимущесгва1) "синтетические" функции Т(х) сво¬
бодны от высокочастотных шумов,2) к ним легко применимы операции
взятия производных, интегрирования,
преобразования Фурье и т п ,3) характерные точки во временном
развитии синтетического сигнала могут
анализироваться алгебраически,4) за счет использования небольшого
числа полиномиальных коэффициентов
обработка данных проходит быстрее и
сами данные требуют меньше компьютер¬
ной памятиНесмотря на то, что данный метод
обработки данных ТК применим в основ¬
ном к металлическим изделиям с покры¬
тиями и без них, а прохождение исходного
отношения сигнал/шум через цепочку
предлагаемых операций до конца не ис¬
следовано, синтетическая обработка сиг¬
нала позволила получить весьма качеа-
венные изображения внутренней структу¬
ры ряда обьектов контроля, например,
турбинных лопаток, алюминиевых пане¬
лей самолетов и т п5.11. НОРМАЛИЗАЦИЯ
ДИНАМИЧЕСКИХ ТЕРМОГРАММВ ТК термин нормачизация означает
деление динамических термо1рамм с це¬
лью подавить эффект неравномерного на¬
грева Этот термин появился в работах
А Деджиованни и позднее был использо¬
ван в программе ThermidgePro Различают
два типа нормализации 1) нормализация
всех изображений в последовательности
на выбранное изображение, которое на¬
зывают "нормализующим", 2) трехмер¬
ную (3D) нормализацию, которая преду¬
сматривает деление двух последователь¬
ностей, из которых одна является экспе¬
риментальной, а вторая - расчетной
158Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХДефект T(ij,%)ЭкспериментальнаяпоследовательностьДефектС norm.НормализующееизображениеTnorm (hjt^norm)НормализованнаяпоследовательностьРис. 5.18. Нормализация динамической последовательности
на одно изображение5.11.1.Нормализация на одно изо¬
бражение. Пусть в импульсной процедуре
ТК (длительность нагрева тл) зарегистри¬
рована последовательность ИК-изображе-
ний T(i4j9t) Во многих случаях опти¬
мальной будет процедура ТК, при которой
дефекты проявляются только на стадии
охлаждения, т е когда хт > xh Формуланормализации на одно изображение имеет
следующий видTnotm(?9 J ~~ j)(5 28)где Cnonn(i9j,i) - нормализованный кон¬
траст, Tnmb(i,j) - начальная температура,
которая в общем случае может изменяться
от точки к точке, Tnorm(i9j,xnorm) - норма¬
лизующее изображение Видно, что нор¬
мализованный контраст фактически пред¬
ставляет собой отношение между двумя
избыточными температурами Если нор¬
мализующее изображение выбрано таким
образом, что поверхностные сигналы от
внутренних дефектов еще не успели раз¬
виться, то в идеальном случае все норма¬
лизованные изображения должны пред¬ставлять собой равномерный фон с темпе-
ратурными отпечатками от дефектов в
моменты времени, близкие к тт Напри¬
мер, при импульсном ТК, в качестве нор¬
мализующей часто выбирают термограМ-
му в конце нагрева Схема нормализации
на одно изображение показана на рис.
5 18Пример нормализации последова¬
тельности термограмм, зарегистрирован¬
ной при импульсном ТК углепластикового
композита, представлен на рис 5 19. (См.
цветную вкладку) В конце нагрева исход¬
ная термограмма показывает неравномер¬
ный нагрев двумя лампами, из которых
более мощный поток создается левой лам¬
пой (см верхнюю левую термограмму на
рис 5 19) Температурный отпечаток не¬
равномерного нагрева сохраняется до мо¬
мента оптимального контроля t = V
Нормализация проведена на термограмму
конца нагрева (т = тА ) При этом нормали¬
зованный контраст при T = i/j становится
равным единице (см нижнее левое изо¬
бражение), в то время как нормализован¬
ная термограмма при т = хт показывает
дефекты более отчетливо по сравнению0
исходной
НОРМАЛИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ТЕРМОГРАММ159► *5.11.2. Трехмерная нормализация.Опыт применения процедуры нормализа¬
ции показал, чю она даег приемлемые
результаты в тех случаях, когда поверх¬
ность объекта контроля является более
или менее однородной, а неоднородным
является сам поток нагрева В тех случаях,
когда на контролируемой поверхности
имеются области с различной поглощаю¬
щей способностью, на их границах возни¬
кает диффузия тепла в "поперечном" на¬
правлении, что снижает эффективность
стандартной нормализации Вышесказан¬
ное проиллюстрировано температурными
профилями на рис 5 20 Пусть на поверх¬
ности изделия, например настенной фре¬
ски, имеется зона с высокой поглощаю¬
щей способностью (темного цвета), кото¬
рая в конце оптического нагрева пред¬
ставляет собой зону повышенной темпе¬
ратуры с достаточно четкими границами
С течением времени температурный про¬филь становится более сглаженным за
счет диффузии тепла Поэтому при деле¬
нии (нормализации) соответствующих
профилей температуры на границах ука¬
занной зоны возникают артефакты, кото¬
рые могут оператором восприниматься
как сигналы от скрытых дефектов При
этом профиль нормализованного контра¬
ста Согт может существенно отличаться
от ожидаемого однородного профиля,
изображенного на рис 5 20 пунктиромСущность способа трехмерной нор¬
мализации состоит в том, что используют
не одно нормализующее изображение,
например, при т = тл, а последователь¬
ность изображений, составляющих "без¬
дефектную реплику" основной экспери¬
ментальной последовательности Норма¬
лизующую последовательность синтези¬
руют теоретически, рассчитывая ожидае¬
мое изменение температуры поверхности
бездефектного объекта контроля, причем в
160Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХДефектДефектЭкспериментальнаяпоследовательносгьНормализирующаяпоследовательностьНормализованнаяпоследовательностьРис. 5.21. Нормализация динамической последовательности на другую
последовательность (трехмерная нормализация)качестве маски нагрева Q(i,j) используютодно из изображений экспериментальной
последовательности, в котором скрытые
дефекты еще не проявились, например,
при импульсном нагреве в качестве маски
нагрева выбирают термограмму T(i, j,xh)Иными словами, при трехмерной норма¬
лизации производят деление двух после¬
довательностей, из которых одна является
экспериментальной и содержит как разви¬
вающиеся во времени сигналы от скрытых
дефектов, так и сигналы, обусловленные
неоднородным поглощением и диффузией
тепла, а вторая последовательность явля¬
ется расчетной и отражает только эффек¬
ты неоднородного поглощения и диффу¬
зии тепла (рис 5 21)Трехмерная нормализация доказала
свою эффективность в ТК настенных фре¬
сок, при оптическом нагреве которых по¬
лучают существенно неоднородные тер¬
мограммы Пример соответствующей об¬
работки данных описан в главе 95.12. МЕТОД ДВИЖУЩЕГОСЯ
ИСТОЧНИКА5.12.1. Непрерывный нагрев. Метод
движущегося непрерывного источникасуществует во многих модификациях Его
основной особенностью является то, что
нагрев осуществляют в локальной зоне,
сканируя объект контроля от точки к точ¬
ке nyieM непрерывного взаимного пере¬
мещения источника и объекта При этом
нагрев является трехмерным, что позволя¬
ет обнаруживать дефекты типа трещин,
расположенные перпендикулярно к иссле¬
дуемой поверхности В НК чаще исполь¬
зуют непрерывный мощный нагрев в зоне
малого размера или в полосе, причем из¬
мерение температуры также производят
либо в точке (см рис 1 3, а), либо вдоль
строки сканирования (см рис. 13, б).
Профили температуры по оси движения
источника можно рассматривать в системе
координат, связанной как с объектом кон¬
троля (рис 5 22, а), так и с источником
нагрева (рис 5 22, б) В качестве дефекто-
граммы используют термограмму, привя¬
занную к движущемуся источнику
(рис 5 22, б) При этом все точки поверх¬
ности находятся в условиях идентичного
нагрева, и локальные измерения темпера¬
туры обусловлены либо флуктуациям^
излучательно-поглощательных свойств
материала, либо наличием дефектов. В
частности, поверхностные и приповерхно¬
МЕТОД ДВИЖУЩЕГОСЯ ИСТОЧНИКА161Рис. 5.22. Профили температуры в меюде движущегося источника:а - система координат объекта контропя, б - система координат источника нагревастные трещины, расположенные перпен¬
дикулярно поверхности нагрева, накапли¬
вают тепловую энергию и повышают тем¬
пературу перед трещиной, соответственно
за трешиной возникает дефицит тепловой
энергии и температура понижается
(рис 5 22, б)Аналогично случаю равномерного
нагрева прямоугольным импульсом, в ме¬
тоде движущегося источника существует
оптимальный момент наблюдения (время
задержки) im , который зависит от темпе¬
ратуропроводности материала и глубины
залегания дефекта Основным критиче¬
ским параметром данного метода является
расстояние между зоной нагрева и зоной
регистрации температуры Ь, определяемое
как:(5 29)Значение времени задержки хт мож¬
но приближенно определить, используя
решение задачи на! рева широким распре¬
деленным импульсом, хотя с уменынени-
ем размера реальной зоны нагрева по¬
грешность будет возрастать и более кор¬
ректные оценки можно получить, решая
заДачу нагрева пластины с дефектом дви¬
жущимся источником тепла определенной
конфигурации (см п 3 4) В качестве ка¬
ющегося парадокса следует заметить, чтов теплопроводных материалах с неглубоко
лежащими дефектами оптимальная точка
наблюдения может лежать впереди источ¬
ника нагрева (за счет опережающей теп¬
лопроводности), при этом значения вре¬
мен задержки хт , обычно отчитываемыеот начала нагрева, будут отрицательными
Скорость взаимного перемещения
источника нагрева и изделия может изме¬
няться в широких пределах (от долей мил¬
лиметра до нескольких метров в секунду)
в зависимости от ТФХ материала и тре¬
буемой глубины зондирования Соответ¬
ственно, тепловые дефектоскопы могут
реализовывать оптико-механическое или
механическое сканирование Наиример, в
способе "летающего пятна" как нагрев, так
и регистрацию температуры осуществля¬
ют синхронно с помощью качающихся
зеркал [68] В качестве нагревателя ис¬
пользуют лазер непрерывного действия,
однако в силу высокой скорости сканиро¬
вания средняя мощность, поглощенная
изделием, остается незначительной Ис¬
следования образцов строительных мате¬
риалов толщиной несколько сантиметров
проводили при весьма малой скорости
сканирования (способ "ползущего пятна"[69]) При ТК композиционных материа¬
лов скорость сканирования может состав¬
лять несколько сантиметров в секунду£-607
162Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХЗонанагреваМаскаРис. 5.23. Меюд ИК-термографни
при вынужденной диффузии телаНагревательТепловизор■ ■Метод движущегося источника явля¬
ется селективным по отношению к пара¬
метрам дефектов, в особенности, по отно¬
шению к глубине их залегания, поэюму
обеспечение оптимальных условий обна¬
ружения различных дефектов может по¬
требовать неоднократного повторения
процедуры На практике для выявления
дефектов по всей глубине объекта зачас¬
тую достагочно выбрать Ъ оптимальным
для самого глубокого дефекта Другим
способом решения этой проблемы являет¬
ся совмещение полосового нагревателя и
тепловизора При этом в буферную память
записывают сразу несколько столбцов
текущих термограмм, расположенных па¬
раллельно полосе нагрева, что позволяет
получить результирующие термограммы
(дефектограммы) в системе координат
источника нагрева для нескольких времен
задержек ттНаилучшей чувствительностью к
внутренним дефектам обладает способ с
использованием мощного сосредоточен¬
ного пучка нагрева по схеме рис 13, а,
незаслуженно забытый в силу низкой про¬
изводительности испытаний Компро¬
миссным способом является сочетание
полосового нагрева со строчным сканиро¬
ванием Этот способ с успехом разрабаты¬
вали В А Стороженко и Д А Рапопортомс сотрудниками применительно к испыта¬
ниям стеклопластиковых цилиндрических
изделий, выполненных способом намотки[70] При этом обнаруживали расслоения
между слоями композита на 1лубине до
10 15 мм В последние годы интерес к
движущемуся полосовому нагреву вновь
возрос, главным образом, благодаря ис¬
следованиям группы У Уинфри (NASA,
США) [71]Преимущества полосового нагрева:1) высокая эффективность ввода тепла за
счет близкого расположения нагревателя к
контролируемой поверхности, 2) большая
равномерность нагрева, 3) более низкая
стоимость строчно-сканирущей системы
регистрации температуры по сравнению с
тепловизионной В последнее время поя¬
вились системы, где температуру регист¬
рируют с помощью тепловизора, что по¬
зволяет за один проход формировать тер¬
мограммы при различных временах за¬
держки (такие термограммы получают,
записывая последовательность термо¬
грамм с выхода тепловизора и выбирая
соответствующие колонки (строки) дан*
ных) При этом может перемещаться как
вся система ТК относительно неподвиж¬
ного объекта, так и объект в поле зрения
системыЭкспериментальная установка, разра¬
ботанная в NASA (США), включает теп¬
МЕТОД ДВИЖУЩЕГОСЯ ИСТОЧНИКА163ТрещинаРис. 5.24. Способ вынужденной диффузии тепла в применении
к пластине с трещиной (адаптировано из [72])
а - временная компонента, б - амплитудная компоненталовизор формата 256 х 256 на базе охлаж¬
даемого фотодетектора из антимонида
индия. Прибор обеспечивает температур¬
ное разрешение 0,025 °С при частоте кад¬
ров до 60 Гц [71] В качестве полосового
нагревателя применена кварцевая лампа
мощностью 1 кВт с эллиптическим реф¬
лектором Максимальная скорость кон¬
троля составляет 30,5 см/с, при этом ти¬
пичная избыточная температура нагрева
не превышала 10 °С Система ТК разме¬
щена на коммерческом сканирующем сто¬
ле и управляется компьютером Термо¬
граммы, получаемые для фиксированного
времени задержки, состоят из 256 пиксе¬
ли в вертикальном направлении и до 1200
пикселей вдоль направления сканирова¬
ния.Недавно предложен оригинальный
способ "решетчатого" нагрева с использо-
Ванием сразу нескольких параллельных
Полос нагрева, что позволило дополни¬тельно модулировать температурный сиг¬
нал [72] Способ получил название термо¬
графии при вынужденной диффузии тепча
(forced diffusion thermography - FDT)
Сущность его состоит в том, что поток
излучения распределенного нагревателя,
например лампы мощностью 500 Вт, про¬
ектируется на контролируемую поверх¬
ность через маску специальной, чаще все¬
го решетчатой, формы Объект контроля
перемещается в поле зрения тепловизора
(рис 5 23) Пространственно-временные
частоты маски можно оптимизировать для
дефектов определенного типа Тепловой
поток, обусловленный движущимся ли¬
нейчатым нагревателем, описывается
формулой [72]<2(jc, т) = ~[1 cos(2rj7u: + сот)], (5 30)где / - плотность мощности излучения
нагревателя, г| - плотность линий в мае-
164 Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХке, 0) - временная частота Тепловой по¬
ток на расстоянии х осциллирует с часто¬
той со и сдвигом фазы 2цпхПространственный градиент теплово¬
го потока также подвержен гармониче¬
ским колебаниям вида— 0(х, т) = г|к1 cos(2r|7u: + сот) (531)дхДвижущееся температурное распре¬
деление линейчатого типа анализируют с
помощью дифференциальных ИК-камер,
которые регистрируют приращения тем¬
пературы относительно среднего уровня
(см также п 5 14 1) Все точки получае¬
мого изображения характеризуются опре¬
деленной фазой Разлагая гармоническую
функцию в (5 31), можно показать, что
линейчатое температурное распределение
есть суперпозиция синфазной пространст¬
венной косинусоидальной компоненты и
внефазной временной синусоидальной
компонентыQ(x,T)-”[l f cos(2rj7Uf)cos(on) ++ sin(2r|7Uf)sm(coT)](5 32)При появлении в движущемся поле
нагрева трещины все компоненты темпе¬
ратурного поля испытывают отклонения
от регулярного характера, что обеспечива¬
ет ее обнаружение (рис 5 24) Сравнение
температурных профилей на рис 5 22 и5 24 показывает, что различия между спо¬
собом ТК движущимся локализованным
источником и способом вынужденной
диффузии того же порядка, как между
импульсным и гармоническим нагревом5.12.2. Фототермический метод (те¬
пловые волны и импульсный нагрев). Вметоде классической фототермии с ис¬
пользованием периодических тепловых
волн сканирование является дискретным,
причем в каждой точке, с целью выхода на
квазистационарный режим, необходимо
возбуждать до десяти периодов тепловых
волн Этот метод применяют для тонкихвысокотеплопроводных материалов, где
частота тепловых волн может достигать
нескольких кГц Глубина проникновения
волн таких частот составляет десятки
микрометров, размер анализируемой зон-
того же порядка, а размер зоны нагрева
может быть на порядок больше для того,
чтобы создать плоские тепловые волны и
использовать решения соответствующих
одномерных задач В результате анализи¬
руют лишь небольшие участки изделий.
Фототермический метод комбинирует
преимущества трехмерного зондирования
и фазового анализа, позволяя профилиро-
вать ТФХ изделий по глубине Основные
области применения 1) НК покрытий раз¬
личного типа (лакокрасочных, гальвани¬
ческих и т п ), 2) измерение толщины слоя
закалки сталейПример фототермической микроско¬
пической системы изображен на рис 5.25
[73] Нагрев изделия в пятне диаметром1 мм2 производят аргоновым лазером, ин¬
тенсивность которого модулируют аку-
стооптическим устройством Тепловое
излучение нагретой точки регистрируют с
помощью ИК-радиометра в пятне площа¬
дью несколько десятков кв мкмС помощью данного микроскопа
измеряли глубину науглероживанияАгМодуляторлазерФазовыйусилительРис. 5.25. Схема фототермического
микроскопа
КОМБИНИРОВАНИЕ ТК И ДРУГИХ МЕТОДОВ НРК165стали 20МпСг5 по заранее полученным
калибровочным зависимостям, а также
оценивали качество связи Ni-Pd защитно¬
го покрытия толщиной 1,2 мкм на под¬
ложке из медного сплава толщиной
0,3 ммВ схеме рис 5 25 может быть реали¬
зован импульсный поточечный нагрев
изделия с заменой частотного анализа
фазовым в Фурье-пространствеВ последнее время разработана ком¬
бинация классической фототермии и ИК-
термографии [74] Схема эксперименталь¬
ной установки аналогична рис 5 25, но
вместо ИК-радиометра используют ИК-
камеру, например, с растром 320 х 240
пикселей и размером отдельной точки на
поверхности изделия 30 х 30 мкм Такая
установка была использована для иден¬
тификации коэффициента теплопроводно¬
сти и оптического пропускания эпоксид¬
ного слоя толщиной 40 мкм, нанесенного
на подложку из алюминия толщиной
1,5 мм5.13. КОМБИНИРОВАНИЕ ТК И
ДРУГИХ МЕТОДОВ НК
(СИНТЕЗ ДАННЫХ)Комбинирование ТК с другими вида¬
ми (методами) НК целесообразно, если1) ТК выполняет роль скринингового ме¬
тода, предваряя результаты испытаний с
помощью более точных методов НК,2) эксперимента!ьная аппаратура характе¬
ризуется общими элементами, 3) синтез
результатов контроля различными мето¬
дами НК приводит не к их механическому
сложению, а к новому качествуКомбинирование первого типа воз¬
можно, например, при НК авиационных
панелей на предмет выявления воды в со¬
тах, а также ударных повреждений и рас¬
слоений в композитах С помощью ТК
подлежат выявлению подозрительные зо¬
ны, после чего их тщательный контроль
проводят, например, УЗ-методом Анало¬
гичным образом контролируют заклепоч¬
ные соединения алюминиевых авиацион¬ных панелей, причем в качестве основного
метода НК выступает вихретоковый кон¬
трольКомбинирование второго типа имеет
место, например, при использовании ТК и
лазерной интерферометрии, одна из раз¬
новидностей которой получила в англоя¬
зычной литературе название ширографии
(shearography) В России соответствующий
метод назван теплоголографией Широ-
графия использует технику лазерной ин¬
терферометрии для регистрации механи¬
ческих смещений поверхности объекта
контроля, вызванных скрытыми дефекта¬
ми Образцы нагружают, создавая перепад
давления, а также применяя тепловую или
механическую (вибрационную) стимуля¬
цию Бездефектные зоны являются более
жесткими по сравнению с дефектными,
поэтому в односторонней процедуре воз¬
никает типичное интерферометрическое
изображение, в котором пиксельные
амплитуды пропорциональны смещениям
В целом, эффективность ширографии
ухудшается для толстых и/или жестких
образцов Тем не менее, в ряде случае,
например применяя стимуляцию перепадом
давления, удается обнаружить достаточно
глубокие дефекты Особенности ТК и лазер¬
ной интерферометрии позволяют разрабаты-
вагь аппаратуру испытаний, в которой объект
контроля нагружают оптическим импульсом
и одновременно регистрируют по двум кана¬
лам тепловое и голографическое изображе¬
ния В табл 5 4 приведено сравнение двух
методов применительно к изделиям авиакос¬
мической техники, которое, несмотря на су¬
щественную субъективность, доказывает
преимущество комбинированной техники
Коммерческая аппаратура, комбинирую¬
щая оба метода, производится фирмой
Laser Technology, СШАКомбинирование данных третьего
типа связано с новым подходом к нераз¬
рушающим испытаниям в областях, ха¬
рактеризующихся сложностью и разнооб¬
разием объектов контроля Подразумева¬
ется, что результат синтеза данных (data
fusion) не является простым суммировани¬
ем результатов по отдельным методам, а
166Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ5.4. Сравнительная характеристика ТК и голографической
интерферометрии применительно к изделиям авиакосмической техники *(данные Д Берли, США)Материал (дефект)ТКИнтерферометрияУгле- и стеклопластики (тонкие)+++Угле- и стеклопластики (толстые)+-Неотвержденные композиты+++Композиционная обшивка/металлические соты+++Композиционная обшивка/неметаллические соты+-++Тонкие слои резины на твердых подложках++Тонкие слои резины на других подложках-+Изделия из резины (шины)++Металлическая обшивка/металлические соты+++Блестящие металлические поверхности-+Матовые поверхности++Вода в сотах+-Смятие ячеек сот-+Слипание стенок ячеек металлических сот++ -Инородные включения в композитах+-Изменения толщины обшивки и ячеек сот++-"Целующиеся" (kissing) дефекты+-+Пористость+-+♦Метод пригоден -н- Наилучший метод - Метод непригоден +- Удовлетворительный метод.создает новое качество Концепция слия¬
ния данных, полученных с помощью раз¬
личных сенсоров, хорошо известна в во¬
енной технике В НК первые работы дати¬
рованы 1994 г [75], однако наибольшее
число публикаций относится к последнему
пятилетию [76, 77]В авиакосмической промышленности
синтез данных был применен для трех
взаимодополняющих методов НК УЗ,
радиографического и ширографического
[76] Поскольку эти методы различны по
реализуемым физическим принципам,
расшифровка изображений должна осуще¬
ствляться обученными операторами, кото¬
рые способны идентифицировать отме¬
ченные аномалии либо как дефекты, либо
как артефакты При последовательном
применении данных методов временные ифинансовые затраты на неразрушающие
испытания существенно возрастают. Это¬
го можно избежать путем слияния данных
и получения результирующего изображе¬
ния, которое будет однократно обрабаты¬
ваться, анализироваться и классифициро¬
ваться В работе [76] предложен автома¬
тический алгоритм слияния данных, кото¬
рый основан на сравнении изображений,
полученных с помощью каждого метода
НК, с моделью проконтролированного
изделия, созданной методом компьютерного
проектирования (Computer-Aided Design -
CAD) Основные шаги процедуры• предварительная обработка инди¬
видуальных изображений с целью исклю¬
чить их возможные искажения,• выбор признаков на основе ком¬
пьютерной модели с целью получить на¬
КОМБИНИРОВАНИЕ ТК И ДРУГИХ МЕТОДОВ НРК167бор базовых признаков для последующего
сравнения индивидуальных изображений
и компьютерной модели,• обнаружение признаков в каждом
индивидуальном изображении согласно
набору, полученному на основе компью¬
терной модели,• первичное сопоставление призна¬
ков для предварительной подгонки при¬
знаков индивидуальных изображений и
признаков, полученных на основе компь¬
ютерной модели,• окончательная подгонка выше¬
указанных признаков,• структурное разложение (деком¬
позиция) "подогнанных" изображений
объекта контроля на отдельные зоны, ка¬
ждая из которых характеризуется своей
структурой,• слияние (fusion) множественных
признаковых изображений в пространстве
вейвлет-преобразования (см п 5 6)Этапы слияния данных рассмотрены
ниже на конкретном примереИскажение изображений может про¬
исходить в процессе испытаний как вслед¬
ствие геометрии контроля, так и в силу
факторов электронного происхождения
Кроме того, из-за значительной площади
объектов НК в авиакосмической промыш¬
ленности, контроль выполняют от зоны к
зоне с последующим составлением моза¬
ичных изображений, что также требует
использования специфических компью¬
терных программ В работе [76] приводят¬
ся УЗ (единичное), радиографическое (3
подобласти) и ширографическое (32 по¬
добласти) изображение сотовой панели
самолета В УЗ-изображении хорошо на¬
блюдаются участки различной толщины,
слабо проявляются отслоения внешней
обшивки от сот, но не видна ячеистая
структура сот Радиографическое изобра¬
жение обладает высоким пространствен¬
ным разрешением, отчетливо показывает
структуру сот, но практически нечувстви¬
тельно к расслоениям Ширографическое
изображение отчетливо обнаруживаетрасслоения, сопровождающиеся смятием
внутренних ячеекВ качестве признаков трехмерной
каркасной модели для панели, контроль
которой описан в [76], были выбраны от¬
резки прямых линий, инвариантные к пер¬
спективным искажениям Выбор тех или
иных отрезков зависел от каждого инди¬
видуального изображения, в котором эти
отрезки хорошо выделялисьОбнаружению признаков в индиви¬
дуальных изображениях предшествовали
следующие процедуры фильтрация, уст¬
ранение несущественных деталей и бина¬
ризация Прямолинейные сегменты в би¬
нарных изображениях определяли, ис¬
пользуя итеративный алгоритм Хау
(Hough)Затем набор прямолинейных сегмен¬
тов, полученный из индивидуальных изо¬
бражений, сравнивали с набором, опреде¬
ленным на основе каркасной модели, ми¬
нимизируя ошибку подгонкиПосле того, как каждое индивидуаль¬
ное изображение, полученное с помощью
определенного метода НК, было подогна¬
но под соответствующую компьютерную
модель, в нем были выделены отдельные
зоны, соответствующие участкам объекта
контроля, которые различаются материа¬
лом, толщиной, формой и т пВ вышеупомянутом примере, в сото¬
вой панели были выделены три зоны тон¬
кая углепластиковая структура, толстая
сотовая структура и переходные зоныЦелью слияния изображений являет¬
ся обеспечить оператору возможность
анализировать данные НК в интегриро¬
ванной форме для их более простой и на¬
дежной интерпретации Техника слияния
изображений должна• сохранять информацию, получен¬
ную каждым методом НК,• предотвращать появление лож¬
ных дефектов,• исключать шумы,• представлять многомодальные
признаки таким образом, чтобы они могли
168 Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХбыть легко идентифицированы обученны¬
ми операторамиОкончательное слияние данных мож¬
но проводить попиксельно, однако это не
всегда приводит к оптимальным результа¬
там В частности, предложено использо¬
вать для этой цели дискретное вейвлет-
преобразование, которое позволяет пред¬
ставлять характерные признаки изображе¬
ний с помощью вейвлет-коэффициентов в
компактной форме После надлежащего
слияния вейвлет-коэффициентов возмо¬
жен обрагный переход к окончательному
изображениюТепловые изображения могут быгь
эффекгивно сопоставлены с оптическими,
радиографическими, ультразвуковыми и
др Можно предположить, что весьма эф¬
фективным будет сопоставление тепловых
и интерферомегрических изображений,
полученных в сдинои процедуре контроля
(теплоголография^ В частости, такая
процедура может быть применена к изде¬
лиям авиакосмической техники, причем
нагружение объекта можно осуществлять
с помощью оптического нагревателя, а
результаты измерения температуры и ме¬
ханических смещений получать по двум
каналам тепловизионному и интерферо-
метрическому Преимущество слияния
соответствующих изображений состоит в
том, что ТК весьма чувствителен к припо¬
верхностным дефектам, а интерферомет¬
рия во многих случаях лучше выявляет
заглубленные дефектыВ работе [77] описан ряд алгоритмов
слияния данных вихретокового и ИК-
контроля ударного повреждения в угле¬
пластике, которые основаны на попик-
сел ьном сравнении соответствующих по¬
лутоновых 8-битовых изображений, при¬
веденных к одному формату Подчеркива¬
ется, что корректный подход к слиянию
данных должен включать статистическую
оценку надежности того или иного метода
НК применительно к испытаниям кон¬
кретной продукции Так, например, про¬
цедура ТК ударного повреждения, опи¬
санная в [77], не являлась оптимальнойввиду чрезмерно длительного нагрева.
Более надежными явились результаты
вихретокового контроля, что проявилось
при статистическом слиянии данных.
Простейшим алгоритмом слияния данных
является способ максимальной амплиту*
бы из двух изображений выбирают пик¬
сель, характеризующийся большей ампли¬
тудой Более надежные данные были по¬
лучены при логическом слиянии данных с
помощью оператора AND, а также при
усреднении амплитуд в некоторой маске,
выбранной одновременно на обоих изо¬
бражениях5.14. АНАЛИЗ
ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКИХ
ЭФФЕКТОВ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ5.14.1. Принципы вибротермогра¬
фии и термоупругой эмиссии (анализ
термоупругих напряжений). Тепловизи-
онный анализ термоупругих напряжений
основан на том факте, что при механиче¬
ском сжатии или расширении в твердых
телах возникают температурные градиен¬
ты, обусловленные процессами преобра¬
зования механической энергии в тепло¬
вую Если механическая нагрузка дейст¬
вует в пределах упругости материала и
скорость ее изменения велика, то потери
тепла за счет теплопроводности малы и
после снятия нагрузки изделие возвраща¬
ется к первоначальным форме и темпера¬
туре В этом случае процесс является
практически обратимым Например, тем¬
пературные сигналы в стали, обусловлен¬
ные термоупругими деформациями, при
циклической нагрузке 1 МПа составляют
около 10_3 °СВ 90-х годах прошлого века получил
распространение термин "вибротермо¬
графия" (vibrothermography) как особая
процедура ТК, предназначенной для оцен¬
ки скрытых структурных неоднородностей
материалов по их поверхностным темпе'
ратурным полям при циклическом меха¬
ническом нагруженииОдновременно появился метод ана¬
лиза нагрузок по тетовой эмиссии (Stress
АНАЛИЗ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ169Система механического
нагруженияiВход эталонного
сигналаАмплитудныйвыход„ ОбразецБлок обработкиТепловизорРис. 5.26. Схема метода термографического анализа
механических нагрузок (TSA) (адаптировано из [72])КомпьютерPattern Analysis by Thermal Emission -
SPATE), или просто термографического
анализа нагрузок (Thermographic Stress
Analysis - TSA). Метод основан на ис¬
пользовании феномена термоупругости,
который связывает динамические измене¬
ния температуры и механических нагру¬
зок. Схема метода изображена на
рис. 5.26.Впервые связь изменений температу¬
ры с механическими нагрузками была по¬
лучена У. Томсоном в 1853 г.:То рср(5.33)где 8Т - циклическое изменение темпера¬
туры; Т0 - абсолютная температура образ¬
ца; Р - коэффициент линейного расшире¬
ния, 1/К; 51\ - изменение суммы основных
нагрузок (stress); Ср - теплоемкость припостоянном давлении; К - константа
термоупругости.Амплитуда температурных сигналов,
обусловленных термоупругостью, состав¬ляет от тысячных до сотых долей градуса,
причем эти сигналы определяются только
суммой главных нагрузок 1\. Для анализа
механических напряжений используют
дифференциальные термографические-ИК
системы. Для повышения чувствительно¬
сти метода дифференциальные темпера¬
турные сигналы усредняют во времени, а
также применяют метод синхронизации,
причем эталонный сигнал генерируется
датчиком механических напряжений. То¬
гда тепловизионная система синтезирует
два типа новых изображений, находящих¬
ся как в фазе, так и вне фазы с эталонным
сигналом. Очевидно, что карта механиче¬
ских напряжений соответствует синфаз¬
ному изображению.Из уравнения (5.33) видно, что 5Г не
зависит от среднего уровня нагрузок, тем
не менее, недавние исследования показа¬
ли, что константа термоупругости зависит
от нагрузок; это объясняется зависимо¬
стью модуля упругости материалов от
температуры [78].Уточненный вид уравнения термоуп¬
ругости, связывающего скорости измене-
170 Глава 5. АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХния температуры и нагрузки в однородном
"гуковском" материале при адиабатиче¬
ских граничных условиях, был предложен
А. Вонгом с соавторами в 1988 г. [79]:рСсГТ/дтИ , v 1 Dv+ ' ~ЁТ~дТ~~Ё~дТ)<(cV,/d т)н(l 4 у )2 РЕ
Е- ОТ1 dv
~ЁдТх£а„(Лт„/дт),/-1(5.34)где Т - термодинамическая темпера»ура,
К; а## главные напряжения; 1\ сумма
главных напряжений, Па; Cv теплоем¬
кость при постоянном напряжении
(strain), Н • м/(К • кг); Е модуль Юнга,
Па; v коэффициент Пуассона. В отличие
от классического уравнения термоупруго¬
сти (5.33), в уравнении (5.34) модули уп¬
ругости являются функцией температуры,
в результате чего эффективное значение
величины К даегся выражениемК =1 DE
Е2 дТ(р Q)(5.3 5)где ат - средняя натрузка. Важным вы¬
водом, полученным на основе анализа
уточненного уравнения термоупругости
(5.34), является то, что температурный
отклик материала, подвергнутого чисто
гармоническому нагружению с частотой
со, содержит две компоненты с частотами
со и 2со. Первая тармоника температурного
отклика есть функция амплитуды цикли¬
ческих нагрузок и средней нагрузки, тогда
как вторая гармоника определяется квад¬
ратом амплитуды нагрузки. Следователь¬
но, анализируя обе гармоники, можно оп¬
ределить как амплитуду циклических на¬
грузок, гак и среднюю нагрузку. Экспери¬
ментальные результаты, полученные в
рамках уточненной концепции термоупру¬
гости с помощью ИК-термографии, при¬
ведены в работе [79].5.14.2. Анализ развития трещин а
концепция локального механического
резонанса. Циклическое механическое
нагружение дефектных изделий привода
к появлению в их объеме специфического
распределения температуры, причем
особенно интенсивная генерация тепловой
энергии будет иметь место в зонах струк.
турных неоднородностей. Процесс обра-
зования температурных градиентов зави¬
сит от частоты механического нагруже-
ния, что приводит к концепции локального
механического резонанса [80]. Например,
на определенных частотах нагружения
расслоения в композиционных материалах
вибрируют несинфазно с основным мате¬
риалом, поэтому анализ соответствующих
резонансных частот поставляет информа¬
цию о размерах и глубине залегания де¬
фектов.Me год термографического анализа
напряжений особенно полезен при иссле¬
довании развития трещин. Известно, что
наибольшие напряжения концентрируют¬
ся в зоне головки растущей трещины, где
возникает область пластической деформа¬
ции, характеризующаяся локальным по¬
вышением температуры. Элементы теоре¬
тического анализа напряжений в головке
трещины и ряд экспериментальных ре¬
зультатов описаны в работах [80, 81].5.14.3. Анализ разрушения метал¬
лов. Промышленные установки зачастую
подвержены циклическим (знакоперемен¬
ным) нагрузкам, или деформациям. Дета¬
ли установок могут иметь конфигурацию,
вызывающую гакую концентрацию меха¬
нических напряжений в отдельных зонах,
которая превосходит предел упругости, в
результате чего снижается прочность
(срок службы) соответствующих изделии.
Прогрессирующее ухудшение прочност¬
ных характеристик вследствие воздейст¬
вия переменных нагрузок называют уя№
лостью (fatigue).Энергия пластической деформаций
играет важную роль в процессе усталости
Усталостные трещины, как правило, начи¬
наю г развиваться в зонах поверхностны*
АНАЛИЗ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ171ефектов, поэтому особое значение при¬
обретает анализ поверхностных напряже¬
ний а также поверхностных процессов
энергообмена, для чего используют тепло-
визионныс методы. В России термодина¬
мический подход к анализу процесса раз¬
рушения развивает Г .А. Куриленко [82],
в0 франции большой обьем исследований
выполнен М. Люонгом [83].Будучи подверженными циклическо¬
му нагружению, металлы могу г разру¬
шаться при напряжениях, меньших, чем в
условиях статических нагрузок, вследст¬
вие усталости. Напряжение разрушения
уменьшается с ростом числа циклов со¬
гласно кривой Велера, которую строят в
координатах "напряжение - число цик¬
лов". Иными слов 1мн, материал может
сохранять свои прочностные характери¬
стики только в течение определенного
числа циклов нагружения, после чего он
разрушается.Данные по прочностным характери¬
стикам часто получают при скручивании
образцов, в результате чего максимальные
напряжения возникают в поверхностном
слое. Природа разрушения локальна в том
смысле, что усталостная трещина возни¬
кает в определенной точке образца и, раз¬
виваясь, может привести к отказу, даже
если остальной материал изделия сохра¬
няет высокую прочность.Энергия пластической деформации
(на один цикл натрузки) AIV есть пло¬
щадь под кривой гистерезиса, а полная\энергия за N циклов равна IVf = '^AWI .i iФеномен усталостною разрушения харак¬
теризуется невосполнимой энергией пла¬
стической деформации, причем каждый
материал поглощает энергию до опреде¬
ленного предела, nocie чего происходит
его усталостное разрушение. В экспери¬
ментах с контролируемой нагрузкой уста¬
лостное Разрушение иногда определяют в
Терминах длины трещины. Если контро¬
лируют деформацию, то усталостное раз¬
решение опредетяюг через пиковую на-Было замечено, что энергия AIV су¬
щественно не изменяется с увеличением
числа циклов. Тем не менее, если цикли¬
ческая нагрузка полностью обратима, де¬
формация зависит от предыстории образ¬
ца, поэтому величина AW также изменя¬
ется в течение времени жизни изделия.
Для размягчающихся материалов величи¬
на пластической деформации и энергия
деформации AIV , приходящаяся на один
цикл, возрастают, тогда как материалы,
становящиеся более твердыми, характери¬
зуются уменьшением этих величин. В пе¬
реходном режиме энергия пластической
деформации и средняя величина деформа¬
ции за цикл могут существенно изменять¬
ся перед 1ем, как будет достигнуто ста¬
ционарное состояние.В кристаллах усталостные трещины
развиваются вдоль плоскостей скольже¬
ния, где происходи! концентрация напря¬
жений, выделяется энертия и повышается
температура. Poci температуры в зоне
локального сдвттга плоскостей скольжения
сопутствует инициации усталостных тре¬
щин. ИК-термография дает возможность
количественно оценить процессы инициа¬
ции и последующего развития трещин,
определить пороговые напряжения и дать
рекомендации по недопущению разруше¬
ния объектов контроля. Кроме того, ИК-
термография позволяет локализовать зону
разрушения и проследить процесс его раз¬
вития. Этот метод успешно применялся в
качестве экспериментального для обнару¬
жения об тасги пластической деформации
в толовке трещины при монотонном на¬
гружении образца из стали, а также при
исследовании механизма усталостного
разрушения конструкционных материалов
[831.В работе [83] предложено общее
"термомеханическое" (thermomechanical)
уравнение, которое включает члены, от¬
ветственные за теплопроводность, стоки
или источники тепла, термоупругие эф¬
фекты и диссипацию энергии за счег вяз-
ко-пластических фенометтов. В той же ра¬
боте обсуждаются возможности ИК-
172Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХтермографии при анализе вышеуказанных
эффектов5.14.4. Анализ разрушения строи¬
тельных материалов. В последние годы в
России и других странах произошли ката¬
строфические разрушения ряда сооруже¬
ний, таких как здания, тоннели, мосты и
т п, построенных из кирпича и железобе¬
тона Во многих случаях разрушения были
связаны с действием внешних факторов
(тектонических процессов, деятельнос1и
человека, включая несоблюдение норм и
низкое качество строительства итп) В
других случаях причина разрушения не
была установлена, однако очевидно, чюс
точки зрения механики разрушения про¬
исходили из-за нарушения структурной
целостности материала, возникали ло¬
кальные концентраторы напряжений, по¬
являлись микро-, а затем макротрещины, в
результате роста которых конструкция
разрушалась С практической точки зре¬
ния представляет интерес разработка ме¬
тода и аппаратуры для обнаружения на¬
дежных предвестников подобных катаст¬
роф ИК-термография, в силу высокой
производительности и бесконт актности
испытаний, привлекла внимание контро¬
лирующих организаций, в особенности,
после начала широкою применения теп¬
ловидения в строительной диагностике и
мониторинге теплопотерь Тем не менее,
возможности метода до сих пор остаются
дискуссионными, среди специалистов нет
единого мнения относительно величины
температурных сигналов, которые могут
возникать в объеме и на поверхности
строительных материалов при воздейст¬
вии на них знакопеременных нагрузок
Лабораторные исследования, выполнен¬
ные М Люонгом (Франция), показали, что
при определенных типах и величинах на¬
грузок температурные градиенты могут
достигать нескольких градусов [84] Од¬
нако на практике этот вывод не был под¬
твержден надежными экспериментальны¬
ми результатами, а имеющиеся разрознен¬
ные данные (см главу 9) позволяют пред¬положить, что в обычных условиях ам¬
плитуда температурных предвестников
катастроф не превышает долей градуса,
поэтому их обнаружение возможно только
в хорошо контролируемых лабораторных
условиях и затруднительно в условиях
реальной эксплуатации строительных со¬
оружений5.15. ЭЛЕМЕНТЫ
ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА
В ТК (НЕЙРОННЫЕ СЕТИ)Нейронную сеть можно рассмат¬
ривать как набор простых процессоров,
соединенных многочисленными взаимны¬
ми связями Процессоры обладают
внутренней памятью на простые опе¬
рации, приобретенной в результате перво¬
начального обучения (training) Обычно в
структуре нейронных сетей выделяют от¬
дельные слои, а параллельный характер
сетей делает их пригодными для решения
многопараметрических задач, в том числе,
в качестве классификаторов образовНа рис 5 27 изображена простая схе¬
ма восприятия (perception) информации
нейроном, в котором имеется два входам
один выход (иногда такую схему называ¬
ют перцептроном) Видно, что нейрон по¬
добен ячейке, на которую поступают
входные сигналы jcj , л:2, дг3, , хп , а вы¬
ходным сигналом является скалярная ве¬
личина у Нейрон производит умножение
входных сигналов на весовые коэффици¬
енты п\ wn и комбинирует их в виделинейной функции S - \\\ д-j + w2 х2 +•■•
+ п'п хп Выходной сигнал у считают нуле-Рис. 5.27. Простой перцептрон с двумя
входами и одним выходом
АНАЛИЗ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ173ВходРис. 5.28. Пример трехслойной нейронной сегивым, пока его значение не превысит поро¬
говое значение ylhr, которое активируетнейрон у = f„g(S-ylhr), где fslg -сигмо-идная функция, например, вида_у = 1/[1 +
+ exp(-fcc)] Нейрон, показанный на
рис. 5 27, может быть структурным эле¬
ментом нейронных сетей различного типа
Процесс обучения состоит в опреде¬
лении весовых коэффициентов При этом
возможно два случая 1) любому вектору
входных данных соответствует требуемый
или ожидаемый вектор выходных данных,2) классификацию вектора выходных дан¬
ных производит сама нейронная сетьСтруктуры типа рис 5 27, позволяют
классифицировать относительно простые
задачи Более сложные нейронные сети
должны содержать дополнительные слои
Например, на рис 5 28 изображена трех¬
слойная сеть, принадлежащая к семейству
многослойных перцептронов В структуру
такой сети входят два скрытых слоя, кото¬
рые непосредственно не подключены к
выходу Наличие скрытых слоев осложня¬
ет обучение нейронной сети, поскольку
становится затруднительным обратное
распространение ошибок определения
выходной величины на входные весовые
коэффициенты, в особенности при нели-
Неиной функции активации Данную про¬
блему решают, используя так называемый
а1г°ритм обратного распространения
(back-propagation algorithm) Вначале, наэтапе распространения, или релаксации,
весовым коэффициентам приписывают
случайные значения, и возникшая комби¬
нация вход-выход передается на рассмот¬
рение нейронной сети Ошибку рассчиты¬
вают как квадрат разности для каждого
выходного нейрона и затем ее распростра¬
няют в обратном направлении через сеть,
после чего модифицируют весовые коэф¬
фициенты Процесс повторяют с новой
комбинацией вход-выход до тех пор, пока
среднеквадратическая ошибка не окажется
ниже предписанного уровня или пока не
будет выполнено предписанное число
итерацийПреимуществом использования ней¬
ронных сетей для классификации дефек¬
тов является их способность учиться оп¬
ределению малых различий между иден¬
тифицируемыми классами благодаря тре¬
нировке на соответствующим образом
выбранных тренировочных данных, кото¬
рые получают экспериментально или тео¬
ретическиИнтуитивно можно предположить,
что термографические-ИК испытания с их
зашумленными результатами контроля
могут являться хорошим объектом приме¬
нения нейронных сетей Нейронная сеть
может быть эффективным инструментом
тепловой дефектометрии так например,
входными данными может служить сово¬
купность пиксельных значений из соот¬
ветствующих максиграмм и таймограмм, а
174Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХвыход может быть выражен в глубинах
залегания дефектовЦикл исследований по применению
нейронных сетей в ТК самолетных пане¬
лей выполнен Д Прабху и др из NASA
(США) [85, 86] Работа [85] посвящена
обнаружению расслоений между алюми¬
ниевыми листами, соединенными вна¬
хлест Нагрев панелей производили с по¬
мощью кварцевых ламп, последователь¬
ность зарегистрированных термограмм
форматом 256 х 256 вначале усредняли,
после чего попиксельно вычисляли произ¬
водную от температуры по времени Изо¬
бражения производной сами по себе могут
быть бинаризованы для индикации рас¬
слоений, однако для более эффективного
подавления шумов, которые возрастают
после вычисления производных, примени¬
ли нейронную сеть с 20-ю входными ней¬
ронами и одним выходным нейроном Вы¬
ключенное состояние выходного нейрона
(значение 0,75) соответствовало безде¬
фектным зонам, а включенное состояние
(значение 0,25) - зонам с расслоениями
Бинаризацию данных проводили по поро¬
гу 0,5 Примечательно, что обучение сети
осуществляли по экспериментальным
данным (36 образцовых функций), полу¬
ченным при НК коммерческого самолета
Вследствие малого набора тренировочных
данных, процесс обучения был быстрым, а
результаты применения нейронной сети
совпали с данными УЗ-испытанийДля обнаружения и оценки коррозии
алюминиевых листов та же группа иссле¬
дователей использовала два типа нейрон¬
ных сетей, из которых одна получила на¬
звание обнаружителя дефектов (flaw de¬
tector network), а вторая - оценщика корро¬
зии (corrosion estimatoi network) [86] Пер¬
вая нейронная сеть, аналогичная описан¬
ной в [85], позволяла обнаруживать до 25 %
уноса материала в алюминиевом листе
толщиной 3,1 мм, соединенном внахлест с
другим листом такой же толщины (дефек¬
ты такого типа опасны тем, что в них мо¬
жет конденсироваться влага, что приводитк преждевременному коррозионному из-
носу конструкции) Второй тип нейронной
сети включал 10 выходных нейронов, ка¬
ждый из которых оценивал величину кор.
розии 0 10 %, 10 20 % и тп Наибо¬
лее впечатляющие результаты получены
при комбинировании обеих нейронных
сегей, причем сеть первого типа поставля¬
ла маску дефектов для последующей об¬
работки с помощью второй сети Таким
образом удалось обнаружить 5 10 %
уноса материала в алюминиевом листе
толщиной 1 ммВ работе [87] описана нейронная сеть
для обработки данных ТК, полученных по
методу фазовой термографии Обучение
нейронной сети проводили на расчетных
данных, а экспериментальные значения
глубин дефектов определяли путем анали¬
за 32 фазовых или амплитудных изобра¬
жений Было опробовано 80 архитектур
нейронных сетей Сеть с двумя слоями
создавала существенные ошибки для ма¬
лых глубин дефектов вследствие малых
вариаций фазы сигнала Лучшие результа¬
ты получены на сети с тремя слоями типа
8 х 21, в которой значения пиксельной
фазы в 32-х изображениях, что соответст¬
вовало 32-м входам, подавали вначале на
8 нейронов, а затем на 21 нейрон, замкну¬
тых на выход При проверке возможно¬
стей этой сети ошибка определения глу¬
бины дефектов не превысила 10 %5.16. МЕТОД АНАЛИЗА
ГЛАВНЫХ КОМПОНЕНТАнализ главных компонент (Principal
Component Analysis - РСА) является по¬
лезной статистической процедурой, кото¬
рую применяют в задачах распознавания
образов и сжатия данных, в частности, при
очень больших объемах анализируемых
данныхМетод применим к статистически ра-
пределенным данным с нулевым средним
значением Его сущность состоит в вычис¬
лении ковариационной матрицы исходных
данных, а также собственных единичных
АНАЛИЗ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ175векторов (eigenvectors) и собственных
значений (eigenvalues) этой матрицы Соб¬
ственные векторы располагают в порядке
йх значений по порядку от высшего к
низшему, что дает компоненты статисти¬
ческого набора в порядке убывания их
значимости Пренебрегая низшими ком¬
понентами, можно понизить метрику за¬
дачи, например, исключить влияние кон¬
вективной теплоотдачи при анализе ме¬
таллических изделий, если используется
многомерная тепловая модель, в которой
присутствует конвекция Выбирая из по¬
лученного списка наиболее значимые соб¬
ственные векторы, составляют вектор
характеристик (feature vector), который
представляет собой матрицу, состоящую
из столбца собственных векторовНаконец, умножая транспонирован¬
ный вектор характеристик на вектор ис¬
ходных данных, можно получить новый
набор, выраженный в терминах тех собст¬
венных векторов, которые признаны зна¬
чимымиВ криминалистике, например, метод
анализа главных компонент используют
при распознавании человеческих лиц
Сравнение текущих параметров лица про¬
изводят по наиболее значимым собствен¬
ным векторам путем анализа расхождений
между текущим значением и имеющимися
наборами данных, что существенно уско¬
ряет идентификациюВ ТК исследование метода главных
компонент только начато Описано его
применение для оценки пористости угле¬
пластика, из которого изготовлены сото¬
вые панели самолетов [88] Предваритель¬
ную обработку данных проводили с по¬
мощью двумерного вейвлет-преобразо¬
вания, которое было применено к данным,
полученным во временной области По¬
ристость определяли косвенным образом
путем вычисления температуропроводно¬
сти в каждой точке образца В работе [89]
анализ главных компонент был использо¬
ван специалистами Управления по аэро¬
навтике Франции (ONERA) для расшиф¬
ровки результатов промышленных испы¬таний металлических изделий с помощью
ИК-камеры, реализующей принцип "ле¬
тающего пятна", в частности, удалось по¬
высить выявляемость открытых трещин в
режиме автоматического контроля, при¬
чем на стадии обнаружения дефектов (по¬
сле обработки данных методом анализа
главных компонент) использовали вейв¬
лет-анализ5.17. СТАНДАРТНАЯ ОБРАБОТКА ИК
ИЗОБРАЖЕНИЙВесь предыдущий материал главы 5
был посвящен развитому анализу резуль¬
татов ТК, прежде всего, обработке после¬
довательностей ИК-изображений с помо¬
щью алгоритмов, которые учитывают раз¬
личия во временном поведении темпера¬
туры над и вне дефектами При этом объ¬
ектом обработки является нестационарная
пиксельная функция T(i,j, х) Применение
сложных алгоритмов ставит целью повы¬
сить отношение сигнал/шум и тем самым
улучшить выявляемость дефектов Во
многих случаях эту цель можно частично
достичь, обрабатывая отдельные ИК изо¬
бражения независимо друг от друга, т е в
этом случае объектом обработки стано¬
вится функция T(i, у), описывающая от¬
дельно взятые изображения Очевидно,
что физика нестационарной теплопереда¬
чи не играет при этом существенной роли,
а изображение обрабатывается как сово¬
купность точек с определенной амплиту¬
дой и взаимным расположением (морфо¬
логией) Теория обработки изображений
хорошо разработана, и ниже будут рас¬
смотрены некоторые алгоритмы, распро¬
страненные в ТК При этом под цифровой
обработкой изображений будут понимать¬
ся анализ и манипуляции с изображения¬
ми, производимые с помощью компьютера
[45] Любая обработка изображения при¬
водит к его искажению, и вопрос заключа¬
ется в том, полезно или нет это искажение
с точки зрения цели, которую ставит перед
собой оператор (в НК такой целью являет¬
ся обнаружение дефектов и оценка их па¬
раметров)
176Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХЦифровое изображение состоит из
пикселей (pixel - picture element), что хо¬
рошо видно при увеличении изображения
(zooming) (рис 5 29) (См цветную вклад¬
ку ) Формат ИК-изображений может из¬
меняться от 128 х 128 до 1024 х 1024
Наиболее популярен видеоформат 320 х
240 элементов, в котором выполнены мо¬
заичные приемники ИК-излучения С уве¬
личением формата улучшается деталь¬
ность изображения Каждый пиксель изо¬
бражения может быть представлен либо в
арифметическом виде, например, выра¬
жая истинную температуру объекта, либо
в байтовом виде (в последнем случае чис¬
ло бит на пиксель может быть 8, 12, 14
или 16) Чем больше битность сигнала,
тем больший динамический диапазон он
может воспроизвести, поэтому в послед¬
них моделях ИК-тепловизоров использу¬
ют 14- и 16-битовое представление сигна¬
ла Формат и бигность сигнала определя¬
ют размер файла, содержащего одно изо¬
бражение Например, если в ходе проце¬
дуры активного ТК на жесткий диск ком¬
пьютера записано 300 изображений, каж¬
дое из которых имеет объем 150 кбайт,
общий объем данных, которые необходи¬
мо обрабатывать, составляет 45 Мбайт,
что может вызвать чисто компьютерные
проблемы работы со столь большими мас¬
сивами данныхОбработка изображений включает
следующие этапы• оцифровку данных и их сжатие
(digitization & compression),• улучшение, восстановление и ре¬
конструкцию (enhancement, restoration &
reconstruction),• подгонку (аппроксимацию), опи¬
сание и распознавание (matching, descrip¬
tion & recognition)5.17.1. "Улучшение" изображений.Понятие "качество изображения" связано,
с тем, для какой цели оно было создано
(так, например, утилитарный взгляд на
картины импрессионистов может привес¬
ти к идее подвергнуть их обработкефильтром высоких частот с целью сделать
изображение более четким) Поэтому под
"улучшением изображения" (enhancement)
понимают процедуры, которые делают его
более приемлемым для конечного пользо¬
вателя (примеры существенного улучше¬
ния термограмм за счет изменения дина*
мического диапазона и цветовой палитры
приведены на рис 5 30) (См цветную
вкладку) Целью НК является поиск опре¬
деленных текстур на фоне помех, качество
изображений часто оценивают по специ¬
альным эталонам, которые содержат об-*
ласти ступенчатого или решетчатого из¬
менения сигнала (в оптике такие эталоны
называют мирами, пример решетчатой
миры, используемой в ТК, был приведен в
п 3 8 10)5.17.2. Модификация полутоновой
шкалы (изменение гистограммы). Всовременных тепловизорах глубина оциф¬
ровки сигнала достигает 16 бит, однако
каждое отдельное изображение характери¬
зуется распределением пиксельных ам¬
плитуд в относительно узком диапазоне
значений Для оптимального представле¬
ния изображения оператору следует рас¬
тянуть его гистограмму между макси¬
мальным и минимальным значениями.
Однако обычно изображения содержат
зоны аномально высоких (выбросов) или
аномально низких сигналов (фона), кото¬
рые не несут полезной информации, по¬
этому для просмотра слабоконтрастных
деталей изображения оно может быть
представлено оператору в определенном
диапазоне амплитуд (амплитудном окне)
внутри полной гистограммы (см.
рис 5 30)5.17.3. Выбор цветовой палитры.Тепловые изображения являются псевдо-
цветовыми, т е связь палитры цветов с
температурой задается оператором Суще¬
ствует большое количество палитр, вхо¬
дящих в программное обеспечение тепло-
визионных систем На практике часто ис¬
пользуют палитры "Радуга" (Rainbow) й
"Цвета каления" (Iron) При правильном
АНАЛИЗ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ177подборе палитры возможно представить
зоны с близкими температурами с помо¬
щью контрастных цветов (см рис 5 30 и5 31), однако не следует преувеличивать
значение палитры для повышения досто¬
верности обнаружения скрытых дефектов
(См. цветную вкладку)5.17.4. Повышение резкости изо¬
бражения. Под "резкостью изображения"
будем понимать способность воспроизво¬
дить малые детали и границы перехода
между зонами с различной амплитудой
В ТК поверхностные отпечатки скрытых
дефектов расплываются вследствие диф¬
фузии тепла, причем этот эффект проявля¬
ется тем сильнее, чем больше глубина за¬
легания дефектов, выше теплопровод¬
ность материала и дольше время регист¬
рации. "Расплывшиеся" изображения ху¬
же воспринимаются оператором и создают
трудности при дефектометрии Поскольку
процесс выравнивания температуры в зоне
температурных градиентов можно интер¬
претировать как интегрирование по про¬
странственной координате, следует ожи¬
дать, что резкость изображений можно
повысить, применяя операцию дифферен¬
цирования Действительно, при обработке
изображений часто применяют фильтры
высоких частот - ФВЧ, которые избира¬
тельно пропускают сигналы с высоким
градиентом, устраняя тем самым низко¬
частотный тренд, обусловленный нерав¬
номерным нагревом, засветками, неодно¬
родностью материала итп факторами
(см. пример на рис 5 32) Пример просто¬
го цифрового ФВЧ-1 -1 -13x3-1 +9 -1
-1 -1 -1(5 36)гДе 3 х 3 означает размер маски, приме¬
няемой для фильтрации Фильтрация в
ВиДе (5.36) является двумерной, поскольку
0сУЩествляется в пространстве по двум
Поверхностным координатам Аналогич¬ные фильтры, только одномерные, могут
применяться и к временной координате
Следует отметить, что операция фильтра¬
ции по пространству не означает, что ав¬
томатически производится фильтрация во
времени и наоборотПри использовании простых ФВЧ
возможно появление нежелательных эф¬
фектов, связанных с изменением знака
производной От этого недостатка свобод¬
на процедура вычитания из исходного изо-д2Т 32Тбражения лапласиана У2Т - —- н ,дх2 ду2который представляет собой линейный
оператор производной, не зависящий от
направления В цифровой форме эту про¬
цедуру записывают в следующем виде7'(I,y)-V2r(l);)=57’(i,y)-[r(I + l,J) ++ T(i-1,j) + T{i,j + 1)+T(i,j-\))(5 37)Любые ФВЧ, реализующие произ¬
водные сигналов, имеют тенденцию уве¬
личивать шумы В ТК эти фильтры реко¬
мендуется применять к гладким функци¬
ям, что легко сделать во времени, но за¬
труднительно в пространствеЕще одним фильтром, который под¬
черкивает слабые контрасты, является
статистический фильтр, который вычисля¬
ет дисперсию сигнала в области, ограни¬
ченной выбранной маской5.17.5. Сглаживание. Сглаживание
(smoothing) - операция, обратная повыше¬
нию резкости Ее применяют, когда изо¬
бражение содержит неприятный для зри¬
тельного восприятия высокочастотный
шум, характерные размеры которого
меньше размеров искомых дефектов (это
условие необходимо для того, чтобы не
"сгладить" сам дефект) Сглаживание
осуществляют с помощью нескольких ти¬
пов фильтров (процедур), из которых наи¬
более распространены 1) фильтр низких
частот - ФНЧ, 2) медианный фильтр,3) усреднение во времени
178 Глава 5 АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХПример ФНЧ(5 38)Чем больше размер маски фильтра,
тем на большей площади происходит
сглаживание сигнала, маски размером бо¬
лее 12 х 12 практически не используют,
поскольку они приводят к значительным
искажениям исходного изображенияФильтры высоких и низких частот
изменяют гистограмму изображения, в го
время как медианный фильтр оставляет
гистограмму неизменной Этот фильтр
весьма эффективен для устранения одно¬
пиксельного шума (типа "соль и перец"),
который, например, часто возникал в циф¬
ровых изображениях после некачествен¬
ной оцифровки Принцип работы одно¬
мерного медианного фильтра можно пояс¬
нить на примере фильтрации температур¬
ных сигналов во времени Пусть пиксель¬
ные амплитуды расположены в следую¬
щем порядке 35 255 74 Медианный
фильтр изменит амплитуды пикселей в
порядке их возрастания 35 74 255Что касается усреднения N отсчетов
сигнала во времени, то, как отмечалось
ранее, это приводит, с одной стороны, к
повышению температурного разрешения
за счет снижения некоррелированных шу¬
мов, а, с другой стороны, ухудшает раз¬
решение анализа во времени5.17.6. Морфологическая фильтра
ция. В классическом виде морфологиче-
ская фильтрация является логической one.
рацией, применимой к бинарным изобра.
жениям и изменяющей формы областей
интереса Существует две взаимообратные
процедуры, называемые эрозией и диляцц.
ей При эрозии единичный пиксель, окру,
женный несколькими нулевыми, будет
сделан также нулевым, поэтому такая
процедура эффективно устраняет одно¬
пиксельный шум Поскольку эрозия "съе-
дает" края единичных областей (рис. 5.33),
после нее применяют диляцию, которая
наращивает граничные пиксели, но не
восстанавливает устраненные однопик¬
сельные зоны (См цветную вкладку.)5.17.7. Восстановление изображе¬
ния. Восстановление (restoration) изобра¬
жения обычно означает его подгонку под
некоторую модель В ТК это чаще всего
выражается в виде аппроксимации, на¬
пример полиномиальной, временного раз¬
вития температуры, о чем шла речь в
п 5 105.17.8. Вычитание и деление изо¬
бражений. В ряде случаев простые ариф¬
метические операции, такие как вычита¬
ние и деление, способны существенно
снизить специфические помехи ТК
(рис 5 34) (См цветную вкладку.) На¬
пример, вычитание эффективно в случае
аддитивного шума, который в равной мере
участвует в обоих изображениях Деление,
в свою очередь, снижает мультипликатив¬
ную компоненту шума, обусловленную,
например, флуктуациями коэффициента
излучения, однако в этом случае необхо¬
димо оперировать только с избыточными
температурами нагрева и мириться с воз¬
растанием высокочастотного шума
Глава 6ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯб 1 КРАТКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ИК-
' ТЕХНИКИ И ТЕПЛОВИДЕНИЯВ англоязычной научно-технической
литературе принято считать, что техника
регистрации ИК-излучения берет свое
начало в 1800 г в работах сэра Уильяма
Гершеля, астронома при дворе английско¬
го короля Георга III При выполнении ис¬
следований, приведших к открытию пла¬
неты Уран 13 марта 1793 г, Гершель ра¬
ботал над защитой своих глаз от солнеч¬
ного света и обнаружил эффект нагрева
ртутного термометра, который был распо¬
ложен за красной полосой спектраДо работ У Гершеля основатель рос¬
сийской науки М В Ломоносов занимался
проблемой ночного обнаружения предме¬
тов. В 1758 г МВ Ломоносов изобрел
телескоп для ночного видения (tubo
nyctoptico), а в 1762 г создал зеркала с
высокой отражающей способностьюВ 1829 г прообразом первых тепло¬
визоров явилось устройство Д Гершеля
(брата У Гершеля), который регистриро¬
вал тепловое излучение объектов по не¬
равномерному испарению спирта на тон¬
кой фильтровальной бумаге Примеча¬
тельно, что в своих опытах, датированных
1840 г., Д Гершель пользовался распро¬
страненным сейчас термином "термо-
грамма".В 1900 г произошло второе рожде¬
ние ИК-методов исследований в качестве
строгой научной дисциплины, что было
обусловлено, с одной стороны, фундамен¬
тальными исследованиями М Планка,А. Эйнштейна, Г Кирхгофа, Б Б Голицы¬
ну В. Вина в области теории теплового
изучения, а с другой, - прогрессом в тех-
нологии ИК-приемниковПатентная литература начала XX ве-
Ка содержит множество предложений посозданию ИК-приборов для обнаружения
кораблей, самолетов и людей, а также сис¬
тем связи и автоматического наведения на
цель средств поражения Первые рабочие
ИК-системы были созданы в 1914 -
1918 гг Аппаратура С Гофмана, описан¬
ная в 1919 г, позволяла обнаруживать
человека на расстоянии до 200 м, а само¬
лет на расстоянии до 1600 мВ 1927 г М Черни развил идею эва-
порографа Д Гершеля, применив вместо
испарения спирта возгонку нафталина и
камфарыПервый электронно-оптический пре¬
образователь (ЭОП) был сконструирован в
1934 г Д ХолстомВ 1939 - 1942 гг в США на базе
ЭОП, усовершенствованного В Зворыки¬
ным и Г Мортоном, была создана аппара¬
тура для ночного вождения танков, а так¬
же оптические прицелы ("снуперскопы" и
"снайперскопы"), которые обеспечивали
прицельную стрельбу из стрелкового ору¬
жия на расстоянии до 90 мПервые приборы ночного видения
(night vision) работали в ближнем ИК-
диапазоне по активному принципу, те
требовали внешней подсветки сцены Пас¬
сивные ИК-системы того времени обеспе¬
чивали обнаружение высокотемператур¬
ных объектов, например, самолетных дви¬
гателей, на расстоянии до 32 кмЭксперименты в области тепловиде¬
ния с использованием различных физиче¬
ских эффектов, в частности, эвапорогра-
фии, проводились еще до второй мировой
войны, в том числе и в России Одни из
первых экспериментов по обнаружению
военных кораблей были проведены в Ле¬
нинграде С И Покровским, Б П Козыре¬
вым, В А Гуровым и др еще в 1927 г
180Глава 6 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯК 1934 г были созданы советские берего¬
вые системы обнаружения, в которых ис¬
пользовали фокусирующие зеркала диа¬
метром до 1,5 м и термоэлементыВ годы второй мировой войны в
СССР системы теплового обнаружения
были использованы при охране конвоев
союзников В свою очередь, в Берлинском
университете в те же годы был создан
первый тепловизор-эвапорограф "ЭВА"В 1950 г в США был построен эва-
порограф для военного и промышленного
применения Практическое применение
системы "ИК-видения" нашли в начале
1950-х годов во время войны, которую
вели США в Корее Первые тепловизоры
работали в ближнем ИК-диапазоне, по¬
скольку использовали неохлаждаемые
приемники на основе солей свинца и тре¬
бовали активной подсветки, что снижало
эффективность их примененияВ послевоенные годы заметные рабо¬
ты в области ИК-техники были выполне¬
ны в нашей стране Промышленный эва-
порограф ЭВ-84 был создан Г П Фаерма-
ном, В Н Синцовым и дрЧасто считают, что прообразом теп¬
ловизоров с оптико механическим скани¬
рованием является бортовая ИК-система
фирмы Barnes, (США), созданная в 1954 г
и положившая начало так называемым
"впередсмотрящим" ИК-сисгемам (For¬
ward Looking Infrared - FLIR), размещае¬
мым на летательных аппаратахПервые портативные тепловизоры, в
которых использовали охлаждаемые ли¬
нейные матрицы на основе селенида свин¬
ца, пригодные для полевой съемки, были
испытаны в США в 1960-х годах и в даль¬
нейшем выпускались в виде серии прибо¬
ров AN/PAS В модели показывающего
тепловизора AN/PAS-110 использовались
линейный PbSe фотоприемник (спек¬
тральный диапазон 2 5 мкм) и колеб¬
лющееся зеркало в качестве сканера, обес¬
печивая частоту смены изображений 30 Гц
при температурном разрешении 0,1 °СВ СССР в 1961 г ММ Мирошников
продемонстрировал тепловой след, остав-
шийся через 30 мин от человека, лежавще*
го на деревянном полу Было можно раз.
личить контуры тела благодаря уникаль¬
ной для тех лет температурной чувстви¬
тельности - 0,03 °С Первые измеритель*
ные тепловизоры (англоязычный термин
"scanning radiometers", те сканирующие
радиометры) появились также в 1960-х
годах в качестве побочного продукта во¬
енных разработок, поскольку опция изме¬
рения температуры в то время не являлась
приоритетной характеристикой военных
тепловизионных системЭнергетический кризис 1970-х годов
обеспечил государственную поддержку
двум шведским фирмам AGA (затем
AGEMA Infrared Systems, ныне FLIR Sys¬
tems) и Bofors, которые выпустили первые
портативные измерительные тепловизоры.
Гражданская модификация военного теп¬
ловизора фирмы AGA - прибор Thermovi¬
sion-650 - больше напоминал телескоп из-
за использования оптики большого диа¬
метра Следующая коммерческая модель
Thermovision-665 обладала массой 35 кг*
требовала охлаждения приемника жидким
азотом и также была далека от последую¬
щих портативных приборов (интересно
отметить, что именно эта модель послу¬
жила прототипом известного отечествен¬
ного прибора ТВ-03, который выпускался
без особых изменений вплоть до начала
перестройки)В 60-е годы прошлого века благода¬
ря работам М М Мирошникова, П В Тя-
мофееева В И Архангельского и др про¬
исходило становление отечественного
тепловидения М М Мирошниковым и
МА Собакиным с сотрудниками были
выполнены фундаментальные исследова¬
ния в области медицинского тепловидения
с помощью системы, обладавшей темпе'
рагурным разрешением 0,3 °С и временем
кадра 15 мин
КРАТКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ИК ТЕХНИКИ181В период с 1970 по 1990 г прогресс
гражданского тепловидения, по крайней
мере в Европе, был по-прежнему связан с
оаботами шведской фирмы AGEMA Infra¬
red Systems В 1986 г фирма отказалась от
охлаждения ИК-приемника жидким азо¬
том и ввела в модель Thermovision-870
термоэлектрический холодильник, а также
процессор Хаски (Husky) для расчета тем¬
пературы и калибровки в реальном време¬
ни. В 1988 г на рынке появились теплови¬
зоры серии Thermovision-400 массой око¬
ло 7 кг, которые в течение многих лет ос¬
тались непревзойденными приборами
для полевой ИК-съемкиОтечественные разработки в 80-90х
годах прошлого столетия развивались по
нескольким направлениям Прежде всего,
в ГОИ им СИ Вавилова под руково¬
дством М М Мирошникова продолжала
разрабатываться оригинальная теория оп¬
тико-электронных устройств, на основе
чего совместно с Азовским оптико¬
механическим заводом были разработаны
тепловизоры как военного, так и граждан¬
ского применения "Филин”, "Рубин",
"Алмаз", "Радуга", "Статор", "Вулкан" и
их модификации [10] Параллельно в НИИ
"Исток" А Г Жуковым разрабатывалась
концепция отечественного тепловизора
ТВ-03, которая повторяла основные тех¬
нологические идеи ранних тепловизоров
фирмы AGA, но потребовала создания
новой огечественной элементной базы
Упрощение требований к некоторым па¬
раметрам тепловизоров, например, за счет
увеличения времени кадра, позволило ор¬
ганизовать выпуск тепловизоров малой
серии АТП в Московском институте ра¬
диотехники, электроники и автоматики
(МИРЭА) Наконец, в НПО "Спектр" была
предпринята попытка повторить шведские
тепловизоры на альтернативной отечест-
венной элементной базе (тепловизор ИФ-
ЮТВ)Специализированные тепловизоры,
пРедназначенные для исследования рас-
пРеделения энергии в мощных лазерных
пУчках, были разработаны во Всесоюзноминституте оптико-физических измерений
(ВНИИОФИ) и Институте прикладной
механики (ИПМ) СО АН СССР Ряд бор¬
товых тепловизионных систем военного
применения был разработан в те годы в
Государственном институте прикладной
оптики (ГИПО) и некоторых других орга¬
низациях, однако их параметры остались
неизвестными широкому потребителюСущественный вклад в разработку
отечественной тепловизионной аппарату¬
ры тех лет внесли М М Мирошников,
Р Н Иванова, А Г Жуков, В Е Абрамчук,
Г А Падалко, Н Д Куртев, В И Хахин,
А В Кормушкин, С С Воронцов, В Г Фед-
чишин, С П Морозова, П А Морозов и
ДРМежду тем, в 1995 г фирмой
AGEMA Infrared Systems был начат вы¬
пуск нового поколения тепловизоров -
серии Thermovision-500, в которых были
применены мозаичные детекторы, уста¬
навливаемые в фокальной плоскости (Fo¬
cal Plane Array - FPA) В эти же годы при¬
обрели известность тепловизоры фирмы
Inframetrics (США), в которых для охлаж¬
дения фотоприемника до -200 °С был ис¬
пользован холодильник Стирлинга Теп¬
ловизоры Thermovision-500 (позднее 600)
с массой около 2 кг, а позднее FPA-
тепловизоры, использующие QWIP детек¬
торы, фактически ознаменовали появле¬
ние ИК-телевидепияВ середине 90-х годов произошло
слияние трех крупнейших производителей
ИК-аппаратуры фирм FLIR (США), 1п-
frametrics (США) и AGEMA Infrared Sys¬
tems (Швеция) С начала XXI века амери¬
канская фирма FLIR Systems, Inc (FSl)
является самым крупным мировым произ¬
водителем тепловизоров разнообразного
примененияДругими известными производите¬
лями тепловизоров высокого качества яв¬
ляются фирмы Raytheon, Santa Barbara
Focal Plane (США), Indigo, Mikron (все -
США), NEC (Япония), CEDIP (Франция),
AEG Infrarot Module (Германия) В 2002 г
на мировом рынке заявили о себе китай¬
182Глава 6 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯские производители тепловизоров (фирмы
WuHan Guide Electronic Industrial и
Guangzhou Sat Infrared), использующие
западные мозаичные детекторыРазработки российских тепловизоров
в последней декаде прошлого века про¬
должали идеи, воплощенные в более ран¬
них моделях, но с учетом новых техноло¬
гических возможностей, прежде всего, с
использованием цифровой обработки и
накопления результатов измерений В по¬
следние годы в заметных количествах бы¬
ли выпущены тепловизоры ИРТИС-200 и
ТКВр-ИФП с охлаждаемыми фотоприем¬
никами С 2002 г выпускаются приборы се¬
рии ТН-4604, использующие западные неох-
паждаемые матричные фотоприемники6.2. БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ
ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ6.2.1. Спектр электромагнитных
колебаний и энергетические величины.ИК-термография, или тепловидение, есть
метод дистанционной регистрации, визуа¬
лизации и анализа тепловых (температур¬
ных) полей объектов Электромагнитное
(тепловое, или инфракрасное) излучение
возникает в твердых телах, жидкостях игазах вследствие колебаний атомов в крц,
сталлической решетке или вращательно.
колебательного движения молекул.
излучение занимает широкий диапазон
электромагнитного спектра с длинами
волн 0,75 1000 мкм, находясь между
видимым светом и радиоволнами
(рис 6 1) В научно-технической литера,
туре можно найти различные разбиения
ИК-диапазона на субдиапазоны Напри-
мер, согласно рекомендации Междуна-
родного светотехнического словаря выде.
ляют коротковолновой участок Щ.
спектра (ближняя область) - от 0,76 до1,4 мкм, средневолновой (средняя об¬
ласть) - от 1,4 до 3 мкм и длинноволновой
участок (дальняя область) - от 3 до 1000
мкм В тепловидении терминами "корот¬
коволновой" и "длинноволновой" участки
спектра, как правило, обозначают диапа¬
зоны 3 5,5 мкм и 7 14 мкм, что связа¬
но со спектральными диапазонами работы
популярных ИК-детекторов на основе ан-
тимонида индия (InSb) и тройных соеди¬
нении (CdHgTe)В табл 6 1 приведены основные
энергетические величины и единицы их
измерения, используемые в теории ИК-
излученияВидимый свет ИК-излучение0,35 0,75 мкм Коротковолновое 0,75 .1,5 мкм
Средневолновое 1,5 20 мкм
Длинноволновое 20 1000 мкмКосмические Гамма- Рентгеновские
лучи излучение лучиУльтра -
фиолетовое
излучение1—г0,001 А1 А100 АРадиоволны10 1 мкм1000 мкм310 мДлина волныРис. 6.1. Спектр электромагнитных колебаний
БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ1836.1. Основные энергетические величины и единицы их измерения
(в соответствии с системой СИ и рекомендациями Международной комиссиипо освещению)Наименование (синонимы)Определяющее выражениеОсновная единица
измеренияПоток излучения (лучистый поток,
мощность излучения)Radiant power, radiant flux00ф = |фх<&
0[Вт]Энергия излучения (лучистая энергия)
Radiant energyтW = |ф(т)Л
0[Дж]Энергетическая сила света (сила излу¬
чения)Radiant intensityI = d<&/dQ[Вт/ср1]Энергетическая светимость (поверхно¬
стная плотность потока излучения,
излучательность)Radiant exitanceR = c№/dF[Вт/м2]Энергетическая освещенность (облу¬
ченность, плотность мощности, плот¬
ность дозы, радиация)Irradiance, dose-rateE = dQ>ldF[Вт/м2]Энергетическая яркость (лучистость)
RadianceL = 7
dF cos 0[Вт/(м2 ср1)]6.2.2. Законы теплового излучения.Согласно закону Планка, спектральная
поверхностная плотность потока излуче¬
ния физического объекта [Вт/(м2 мкм)]
определяется его температурой Т и спек¬
тральной излучательной способностью
(коэффициентом излучения)R\С7’’£k)= yS|gC2 /ХГ _ i) ’С, = 3,74 1 8 1 08 Вт/(м2 мкм4),С2 = 1,4388 104 мкм К (6 1)Закон Планка первоначально был по¬
лучен для абсолютно черного тела (АЧТ -
Black Body), которое испускает максимум
возможной при данной температуре энер¬
гии, что имеет место при е^чт = 1, поэто¬му классическая запись закона Планка
имеет видRx (Г) = . (С' (6 2)* X (е 2 -1)Для XT < 5000 (мкм К) справедли¬
ва формула Вина<“>Для X Т > 105 (мкм К) имеет место
приближение Рэлея-Джинса^(Г) = 2С,Г/(С2Х4) (6 4)В ТК величина XT обычно изменяется
от 800 до 5000 (мкм К), что соответству¬
ет спектральному диапазону 3 14 мкм и
184Глава 6 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯтемпературе объектов 0 100 °С, следо¬
вательно, возможно использование фор¬
мулы (6 3)Закон Вина для длины волны A,mdX,
характеризующейся максимальнымзначением функции Планка R* ,1 * лшахвыражается в следующем виде, 2898 3000^шах = -у- ~ -у- > <65)где Xmdx выражена в мкм, а Т - в К На¬
пример, если принять, что поверхность
тела человека (в одежде) имеет темпера¬
туру около 300 К, то длина волны макси¬
мальной мощности излучения составляет
около 10 мкмПрактические расчеты по общей фор¬
муле Планка удобно проводить, если рас¬
смотреть ее безразмерную форму записи■ <66>
Графики функции Планка R^4T дляразличных температур АЧТ согласно фор¬
мулам (6 2) и (6 6) показаны на
рис 6 2, откуда следует, что 1) для каж¬
дой температуры максимум излучения
имеет место на определенной длине вол¬
ны, которая возрастает с уменьшением
температуры, 2) мощность излучения рез¬
ко спадает с уменьшением температуры
Упомянутые особенности теплового излу¬
чения тел выражаются соответственно
законами Вина и Стефана-БольцманаВ диапазоне длин волн Х2 по¬верхностную плотность потока излучения
R(T, е?), выраженную в Вт/м2, определяют
по формуле*2*(r,ej= ргх(Г,ьх)Л (6 7)А.,Спектральный ход коэффициента из¬
лучения Ех может быть весьма причудли¬
вым, в особенности у газов, которые ха¬
рактеризуются линейчатым спектром из¬лучения Для многих твердых и жидки*
тел, называемых "серыми", зависимостью
коэффициента излучения от длины волны
можно пренебречь (е = const), тогда
*2Д(Г,е) = е dk =A5(eCl/xr-l)Ai= е ДАЧТ (Г,т) (6.8)Значения интеграла RA4T в формуле
(6 8), описывающего поверхностную
плотность потока излучения АЧТ в ot-
дельных спектральных интервалах, табу¬
лированы [90] В ИК-термографии исполь¬
зуют преимущественно коротковолновой
(3 5,5 мкм) и длинноволновой (7 14 мкм)
спектральные диапазоны, что с одной сто¬
роны, соответствует окнам прозрачности
атмосферы, а с другой стороны, подкреп¬
лено наличием коммерчески доступных
приемников излучения, в частности на
основе InSb и CdHgTe Кроме того, со¬
гласно закону Вина, в указанных диа¬
пазонах сосредоточена основная мощ¬
ность излучения тел при температурах 0
+100 °СВ диапазоне всех длин волн 0 ... оо
поверхностная плотность потока излуче¬
ния выражается законом Стефана-
Больцмана
для АЧТRA4J(T,X = О 00)= а Г4, (6.9)
для серого телаR(T, еД = 0 оо) = е а Г4, (6.10)где ст = 5,67 10‘8Вт/(м2 К4) - постоянная
Стефана-БольцманаТепловое излучение, плотность пото¬
ка которого описывается формулами (6.7)-
(6 10), испускается телом в телесный угол
зрения, равный п стерадиан Тепловизор
регистрирует часть этого излучения, по¬
падающего в телесный угол П согласно
закону ЛамбертаJn = RAS—coscp, (6-11)К
БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ185Rx(T), Вт/(м2 мкм)а)Рис. 6.2. Закон Планка для АЧТ:а- в абсолютных единицах, б - единичная изотермическая кривая
186БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯгде AS - площадь, визируемая тепловизо¬
ром в пределах его мгновенного угла зре¬
ния на поверхности объекта контроля, ср -
угол между нормалью и направлением
телесного угла Q Обе величины AS и Q
определяются размерами приемной пло¬
щадки приемника излучения и параметра¬
ми оптического объективаПри падении излучения на тело
(рис 6 3) имеют место следующие опти¬
ческие феномены 1) поглощение с коэф¬
фициентом ах , 2) отражение с коэффици¬
ентом рх, и 3) пропускание с коэффици¬
ентом тх Очевидно, что на любой длине
волныак + Рх. +ТА. = 1 > (6 12)что выражает закон сохранения энергииЗакон Кирхгофа устанавливает, что в
точке поверхности теплового излучателя
при любых температуре и длине волны
спектральный коэффициент излучения для
заданного направления равен спектраль¬
ному коэффициенту поглощения для про¬
тивоположно направленного неполяризо-
ванного излучения Практически, этот
закон устанавливает простое численное
соответствие между коэффициентами по¬
глощения и излучения телclx=ex (6 13)Закон Кирхгофа выражает тот факт,
что на определенной длине волны тело
способно поглотить и испустить одинако¬
вое количество энергии Для ИК-термо-ПадающееизлучениеПоглощенное
ение(а)Отраженное
излучение(р)Прошедшее
излучение(т)графии это имеет первостепенное значе*
ние, поскольку позволяет легче интерцр^тировать эффекты поглощения/излучения
и корректно трактовать показания ИК-
термометров и тепловизоров, которые
производителями калибруются по эталон¬
ным источникам (моделям АЧТ)При измерении температуры объек¬
тов по их тепловому излучению представ¬
ляет интерес изменение теплового потока
в зависимости от изменения температуры.
Производная от функции Планка по тем¬
пературе имеет видс2/хт\TUe- -1)Соответствующие значения также
табулированы в [90] Во всем диапазоне
длин волн-^R(T,z) = 4eaT\ (6.15)
или в конечных разностяхAR(AT = Тх - Т2, е) = 4ео(^±^-)3 АТ,(6.16)В радиационной пирометрии удобна
использовать следующее монохроматиче¬
ское представление функции Планка.Rx(T) = K(X)T", (6.17)где К (к) - функция длины волны;
п = 5/(3 при р < 2,5 , л = 1 + 2,5/р при
Р > 2,5 , Р = X/Хтах Показатель степени п
в таком представлении характеризует из¬
менение Rx(T) при изменении температу¬
ры, поскольку из формулы следуетdRx(T)/Rx(T)
дТ/Тп =-(6.18)Рис. 6.3. Взаимодействие излучения
с теломФормула (6 17) содержит кажущееся
противоречие, которое состоит в неогра-
ниченном увеличении /?^(Г)при умень¬
шении длины волны и возрастании п. Од¬
нако фактически R\(T) уменьшается
БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ187вследствие более быстрого уменьшения
jf(Jt) • В связи с этим формула (6 17) оз¬
начает, что при переходе в коротковолно¬
вую часть спектра с ростом температуры
возрастает лишь относительное прира¬
щение спектральной плотности излучения6.2.3. Схема ИК-термографирова-
ния объектов контроля. Поскольку объ¬
ект контроля всегда находится в окруже¬
нии других физических тел, также испус¬
кающих и отражающих ИК-тепловое из¬
лучение, то суммарное излучение тела,
регистрируемое, например, тепловизором,
складывается из собственного, прошедше¬
го и отраженного излучений В большин¬
стве случаев ИК-термография имеет дело
с оптически непрозрачными объектами0), для которых формула (6 12) при¬
обретает видал+р*. =1 или ех + р>. = 1 (6 19)Упрощенная схема термографирова-
ния оптически непрозрачною объекта по¬
казана на рис 6 4 Поток излучения, реги¬
стрируемый тепловизором, складывается
из потока собственного излучения и части
потока излучения окружающей среды и
посторонних объектов, отраженного от
поверхности объекта контролях2Ф = Фсоб+Фспр=Г1 |блЛхАЧТ(Г) +х, к> (620)+ Г2 JPXА,,где Тх, Г2 - геометрические факторы, опи¬
сывающие ослабление потоков излучения
от объекта контроля и окружающей среды
в зависимости от геометрии эксперимента
и параметров объектива, а индекс "amb"
относится к окружающей среде (ambient),
включая посторонние объектыСоставление уравнений энергетиче¬
ского баланса весьма важно при выводеРис. 6.4. Схема ИК-термографирования
объектаэнергетического уравнения ИК-систем,
поскольку в объектив тепловизора помимо
излучения контролируемого объекта по¬
падает также прямое излучение внутрен¬
них элементов тепловизора и в, часшости,
самого приемника излучения В современ¬
ных измерительных системах эти состав¬
ляющие потока излучения измеряют и
учитывают при калибровке приборов
Простейшей иллюстрацией взаимного
влияния объектов друг на друга является
случай двух "абсолютно черных” беско¬
нечных плоскостей с температурами Т\ и
Т2, расположенных параллельно друг дру¬
гу Результирующий поток излучения в
пространстве между ними (без учета по¬
глощения) равенАR = a(tf-T}) (6 21)Взаимодействие тел различной гео¬
метрической формы с разными коэффици¬
ентами излучения описывается соответст¬
вующими коэффициентами Г и еэфф6.2.4. Проблема коэффициента из¬
лучения. Без потери общности можно
принять, что окружающая среда излучает
как АЧТ, тогда уравнение (6 20) можно
записать в видеФ = г, }e,i?rT(n+r2 }(1-с,)ДГт(Т;)X, А.,(6 22)
188БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯИз уравнения (6 22) следует, что
только при визировании АЧТ (£*.= 1) спра¬
ведлива градуировка тепловизора, вы¬
полненная изготовителем по эталонному
источнику (модели АЧТ), в то время как
при визировании реальных объектов пока¬
зания тепловизора зависят не только от
температуры объекта, но и от его излуча-
тельных свойств Параметры Т и е слож¬
ным образом воздействуют на вид ИК-
термограмм, что затрудняет их ин¬
терпретацию в терминах температурыВ табл 6 2-6 4 приводятся величины
коэффициента излучения для некоторых
распространенных материалов Следует
обратить внимание на резкое различиевеличин е у металлов и неметаллов.
таллы, особенно полированные, высту.
пают в роли зеркал, хорошо отражающие
и плохо поглощающих тепловое излуче-
ние, большинство неметаллов могут рас,
сматриваться как хорошо излучающие
серые тела, многие из которых приближа¬
ются по свойствам к АЧТ Еще одним ин*
тересным свойством излучения тел в ИК-
диапазоне является тот факт, что некото¬
рые материалы, такие как человеческая
кожа, снег, краски и т п, могут обладать
выраженными отражающими свойствами
в видимой части спектра, но быть хоро¬
шими поглотителями в ИК-спектре.6.2. Интегральные коэффициенты излучения строительных материаловпри температуре 20 °СМатериалКоэффициент излученияБетон0,84 0,95Графит, окисленная поверхность0,98Гипс0,8 0,9Глина обожженная0,91Дерево строганое0,8 0,9белое сырое0,7 0,8шлифованное (полированное)0,5 0,7Кирпич красный шероховатый0,86 0,03Кирпичная кладка оштукатуренная0,94Кирпич шамотный0,95Краска масляная (любого цвета)0,94Лакчерный матовый0,96 0,98белый0,8 0,96 Мрамор сероватый полированный0,93 Рубероид0,93
БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ189Продолжение табл 62МатериалКоэффициент излученияСажа0,95 0,97Сажа с жидким стеклом0,96Сажа, нанесенная на твердую поверхность0,96Стекло матовое0,96Штукатурка (грубое покрытие)0,91Бумага черная, матовая0,94Эбонит0,90Плексиглас0,92Древесина (сосна)0,86Резина0,94Асбоцементная плита0,92Текстолит0,93Фторопласт0,95Ковровая белая керамика0,97Половая глазурованная керамическая плитка0,91Алебастр0,89Пенополиуретаннегладкий0,97гладкий0,986.3. Коэффициенты излучения строительных материалов,
рекомендуемые фирмой FLIR Systems (AGEMA Infrared Systems) для различныхспектральных диапазоновМатериалДлина волны, мкмКоэффициентизлученияАлюминийКВ*0,83 0,94АсбестКВ0,96КирпичобычныйКВ0,81 0,86красныйКВ0,90JferoH сухой50,95
190Глава 6 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯПродолжение табл. 6JМатериалДлина волны, мкмКоэффициентизлученияЗамерзшая почваДВ*0,93Стекло50,97Гранит, естественная поверхность50,96ГравийДВ0,28ЖелезоКВ0,91 0,96Известняк50,96ИзвестьКВ0,87ПластикчерныйКВ0,95белыйКВ0,84Картон50,81ШтукатуркаКВ0,86 0,90ФанераКВ0,83 0,98ПолипропиленКВ0,97Резина50,97Обои (легкий рисунок)КВ0,90* КВ = 2,0 2,5 мкм, ДВ = 6,5 20,0 мкм6.4. Коэффициенты излучения изделий радиоэлектроники [10]Изделие Коэффициент излученияРезисторыугольные пленочные 0,85металлопленочные 0,85 0,90
остеклованные трубчатые 0,90
проволочные намотанные 0,87
Конденсаторыпеременные 0,85 0,95электролитические 0,28 0,36керамические дисковые 0,90 0,94
цилиндрические 0,90пленочные 0,90 0,93слюдяные 0,90 0,95стеклянные 0,91 0,92
Транзисторы 0,90
БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ191Продолжение табл 6 4ИзделиеКоэффициент излученияДиоды0,89 0,90Импульсные трансформаторы0,91 0,92Сглаживающие дроссели0,89 0,93Платыиз слюды и эпоксидного стекла0,86фторопластовые0,80из эпоксидной фенольной смолы0,80Пластиныиз позолоченной меди0,30из меди с покрытием припоем0,35Провода0,28луженыемедные с изоляцией на основе формальдегидной0,87 0,88смолыДетали из стеагита для выводов0,87Влияние коэффициента излучения на
результаты термографирования объектов
двояко Во-первых, отсутствие информа¬
ции о его истинном значении делает не¬
возможным точное измерение температу¬
ры, причем погрешность определения
температуры АТ тем выше, чем больше
неопределенность значения е В НК точ¬
ное знание е, как правило, необязательно,
но случайные флуктуации е как во време¬
ни, так и в пространстве (по поверхности
объекта контроля) приводят к появлению
ложных сигналов, которые могут интер¬
претироваться оператором или автомати¬
ческим устройством в качестве дефектов
Типичный прием учета таких флуктуаций
состоит в установлении некоторого порога
принятия решения, однако, как показала
история развития ТК, уровень ложных
сигналов может быть столь высок, что без
специальных процедур обработки сигнала
^пловой метод не выдерживает конку¬
ренции с другими методами НКВ целом следует избегать термогра¬
фирования неокрашенных металлических
п°верхностей, особенно если рядом рас¬положены другие нагретые объекты, излу¬
чение которых может отражаться от визи¬
руемой поверхности и создавать блики на
термограммах На таких поверхностях
возникает множество ложных сигналов,
обусловленных царапинами, окислами,
грязью, краской и побочными факторами,
поэтому обнаружение скрытых дефектов
на их фоне затруднительно, за исключени¬
ем тех случаев, когда дефектная зона су¬
щественно превосходит шумовые сигналы
либо по амплитуде, либо по площади Из¬
мерять истинную температуру металлов
целесообразно после нанесения на их по¬
верхность хорошо излучающих покрытий
черной краски, сажи и тд Иногда реко¬
мендуют просто наклеивать на контроли¬
руемую поверхность полоску непрозрач¬
ной липкой лентыСвязь приращений АТ и Де вытека¬
ет из законов теплового излучения Для
серых тел из закона Стефана-Больцмана
следует, что^ = (623)
Т 4 £Например, если на поверхности объ¬
екта контроля со средней излучательной
192Глава 6 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯспособностью е = 0,9 имеет место локаль¬
ное изменение данного параметра с ам¬
плитудой Де = ±0,02, что часто наблюда¬
ется на практике, то при термографирова-
нии объекта с комнатной температурой
(Т = 300 К) эквивалентные шумовыефлуктуации температуры будут АТ =± 1,7 °С,
что значительно превышает объявленную
паспортную чувствительность современ¬
ных тепловизоров (до 0,03 °С)Для анализа связи АТ и спектрально¬
го значения Де*, удобна формула (6 17),
включающая в себя е*, в качестве сомно¬
жителя Нетрудно получить следующее
выражениеARk(T)= и«х-А Тs_ (8Rx(T)/dT) АТ лА77Г
{dRx(е)/дТ) Де Де/е5 = 5Кщ,S = 53000 Th AT/Th
Ь (Tmlt+Thf Аех/гх'(6 24)по форме оно аналогично формуле (6 23)
Для более коротких длин волн величина п
возрастает и, соответственно, повышается
чувствительность ИК-сисгемы к измене¬
ниям температурыВажный для ТК вывод можно полу¬
чить из выражений (6 17) и (6 24), если
проанализировать отношение сигнал/шум
S как отношение изменений сигналов
ARX(T), вызванных изменениями АТ и
Дегде AT/Th =Спш - текущий контра^
температуры над дефектомИз (6 27) следует, что для данного
дефекта и фиксированного уровня помех
величина S возрастает с уменьшением
длины волны и ростом избыточной темпе¬
ратуры нагрева Например, при изменении
Th от 10 до 100 °С (Тш =300К) величи¬
на S возрастает в 6 раз Строгая оптимиза¬
ция температуры нагрева, т е подводимо®
к объекту контроля энергии, связана с
анализом спектрального поведения
Дех/ьхДля случая термографирования на
открытом воздухе можно получить про¬
стую связь изменений АТ и Де с учетом
температуры окружающей среды, если в
формуле (6 22) пренебречь спектральным
ходом е и геометрическими факторами:Ф ~ е J^4r(r)iA, + (l - е)х*■1Ал(6.28)хе(6 25)В ТК, как правило, п = 5/р =
= 5Л.тах / А., а абсолютную температуру
изделия можно представить как сумму
абсолютной начальной температуры Tinit
и избыточной температуры нагрева Th (в
предыдущих главах избыточная темпера¬
тура нагрева обозначена Т) Тогда форму¬
лу (6 25) можно записать в виде1 ATITh, (6 26)или, используя закон ВинаA,mdX « 3000/(Tmlt +Th), в окончательном
видеДля фиксированных спектральных
диапазонов согласно формуле (6 17) можнох2принять, что е J/?^4T(7,)dX. = КТп , гдсК**■1численный коэффициент, а показатель
степени п зависит от спектрального ин¬
тервала Тогда уравнение (6 27) примет
видФ~еГ+(1-е)С6 (629)Для спектральных интервалов 3 ... 5,5
и 7 14 мкм и диапазона температур от
-20 до +80 °С соответственно п= 10,11 и
п = 4,83Очевидно, что тепловизор, калибра
ванный по чернохму телу, покажет кажУ'
БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ193щуюся (радиационную) температуру серо¬
го тела Гкаж согласно следующему 1ранс-
цедентному уравнениюСж=еГ+(1-8)0, (6 30)Соотношение вида (6 30) использует¬
ся в ряде современных тепловизоров для
автоматической коррекции температурных
отсчетов, если введены значения коэффи¬
циента излучения е и температуры окру¬
жающей среды ТатЬ (табл 6 5)С учетом (6 30) формула для оценки
связи изменений коэффициента излучения
и температуры примет видАТ_ 11-1rTamh)1ДеТп1, Т .) _сСледует заметить, что при Т = Tamh
происходит полная кохмпенсация излуча-
тельной способности твердых тел На
практике близкая ситуация имеет место,
например, при термографировании ограж¬
дающих конструкций строительных со¬
оружений, температура которых близка к
температуре окружающей среды, при этом
согласно (6 30) температурные отсчеты
слабо зависят от излучательных свойств
материаловПример. Пусть стена здания нахо¬
дится при температуре Т = 263 К(-10 °С) Температура окружающей среды
и облачного неба Tamb =258 К (-15 °С)
Какова будет погрешность определения
температуры штукатурки с помощью теп¬
ловизора, работающего в диапазоне длин
волн 7 14 мкм, если значение коэффи¬
циента излучения в тепловизоре установ¬
лено для кирпичной кладки (8 = 0,94 у> Из
табл. 6 2 следует, что при переходе от
кирпичной кладки к штукатурке
As = 0,94 - 0,91 = 0,03 Тогда из формулы
(6.31) ДTv 0,15 °С для обоих диапазонов3 ... 5,5 и 7 14 мкм, в то время как фор¬
мула (6 23), не учитывающая отраженного
Излучения, дает ДГ «2,1 °С Физически
Различие в значениях АТ означает, что7-607окружающая среда является источником
компенсирующего излучения, обусловли¬
вающего снижение влияния флуктуаций
коэффициента излучения на тепловизион-
ные измеренияВ тепловидении для случая визиро¬
вания объекта с температурой Т0 на фоне
(background) с температурой Th вводят
понятие "тепловой контраст" в опреде¬
ленном спектральном диапазоне [91]\Rx{Tb)dk
ТК = ^^ (6 32)]Х(г0)<а.+ |лх(г4)лАХ АХВ коротковолновом диапазоне длин
волн (3,5 5 мкм) тепловой контраст
вдвое выше, чем в длинноволновом диапа¬
зоне (8 14 мкм), что следует из формулы
(6 24)В оптической пирометрии предложе¬
но множество способов учета влияния
коэффициента излучения, большая часть
которых неприемлехма в ИК-термографии
и ТК, где требуется высокая оператив¬
ность работы алгоритма по всему полю
изображения, а не в отдельных точках
Кроме того, многие способы ориентиро¬
ваны на объекты со стационарной темпе¬
ратурой и не вышли за рамки патентных
описаний Согласно предложенной в [10]
классификации, можно выделить две груп¬
пы способов, представленных в табл 6 5
К первой группе относят способы, тре¬
бующие предварительных сведений об
объекте контроля или соответствующей
его подготовки к испытаниям, ко второй
группе - способы рациональной обработ¬
ки потока излученияИз способов первой группы распро¬
странено чернение поверхности изделий,
что обеспечивает низкий уровень помех,
но имеет очевидные технологические не¬
достатки В качестве "черных" покрытий
применяют лаки и краски различных ти¬
пов и цвета (не обязательно черного),
спреи в виде суспензии графитового по¬
рошка в воде, гравировальную эмаль,
194Глава 6 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ6.5. Способы учета излучательных свойств объектов
при оптической пирометрии (тепловидении)СпособКраткая характеристикаСпособы, требующие предварительных сведений
об объекте контроля или его соответствующей подготовкиНанесение на поверх¬
ность изделия покрытия
с высоким равномерным
коэффициентом излуче¬
нияВ качестве покрытий применяют лаки и краски раз¬
личных типов и цвета, спреи в виде суспензии графито¬
вого порошка в воде, гравировальную эмаль, сажевые
эмульсии, сажу жженой резины, а также масло и воду.
Способ малопроизводителен и, как правило, непригоден
для объектов сложной формы, например изделий радио¬
электроники Коэффициент излучения зависит от толщи¬
ны покрытия"Форсирование" излу¬
ченияИзлучение реальных объектов стремятся прибли¬
зить к излучению АЧТ путем создания полостей на по¬
верхности объекта, размещения вблизи объекга отра¬
жающей сферы, нагретой пластины, использования тер¬
мочувствительных и адиабатических насадок с после¬
дующим решением уравнения теплообмена в системе
объект-насадка Способы обладают низкой точностью и
малой производительностью, непригодны в тепловиде¬
нииИзменение температуры
приемника излученияСпособ основан на третьем законе термодинамики,
согласно которому теплообмен между тепами с одинако¬
вой температурой отсутствует Сложное конструктивное
решение и невозможность отслеживать динамические
температуры делает способ непригодным в тепловиде-*
нии и ТКСравнение с эталономАбсолютное значение коэффициента излучения не
определяется Дефекты обнаруживают по степени откло¬
нения температуры контролируемого изделия от темпе¬
ратуры эталона Применим при ТК однотипных объек¬
тов, например изделий радиоэлектроники, энергетиче¬
ских установок и т пИсследование излучения
в различные моменты
времениСпособ является модификацией способа сравнения
с эталоном и применим в активном ТК, где сигналы от
скрытых дефектов существуют в течение определенного
времениИспользование внешней
подсветкиСпособ основан на применении формулы (6.28).
Значение коэффициента излучения определяют по фор¬
муле £ - 1 -- р Спектральный состав излучения подсвет¬
ки должен совпадать со спектром принимаемого излуче¬
ния Реализация сложна при изменяющейся температуре
объекта контроля
БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ195Продолжение табл 6 5^ СпособКраткая характеристикаНагрев объекта контроля
в термокамереЗначение коэффициента излучения в различных
точках поверхности объекта контроля определяют в тер¬
мокамере с повышенной температурой, причем сигналы
от дефектов отсутствуют В дальнейшем карту излуча-
тельной способности используют для кор¬
ректировки текущих измерений температуры одно¬
типных изделий Способ получил распространение при
ТК изделий радиоэлектроники, реализован в софтвере
EQUAL фирмы AGEMA Infrared SystemsСпособы "рИспользование коротко¬
волновой части спектраюциональной" обработки потока излученияПри смещении спектра регистрируемого излучения
в коротковолновую область возрастает относительная
температурная чувствительность аппаратуры ТК соглас¬
но формуле (6 24) Способ ограничен ухудшением тем¬
пературного разрешения и ростом фоновых засветокЦветовой способ опти¬
ческой пирометрииСпособ основан на делении сигналов в двух разне¬
сенных спекгральных каналах согласно формуле (6 33) В
тепловидении и ТК малопригоден вследствие слабой
чувствительности отношения сигналов каналов к темпе¬
ратуре Используется в высокотемпературной пиромет¬
рииСпособы, зависящие от
поляризации излученияСпособы разработаны для высокотемпературной
пирометрии, в тепловидении и ТК не применялисьМатематическая обра¬
ботка спектральных ком¬
понент (многоканальная
оптическая пирометрия)В пределах справедливости формулы Вина строят
новое распределение по длинам волн и температурам,
что приводит к решению N уравнений с N неизвестными
Способ громоздок, его применимость в ТК неяснасажевые эмульсии, сажу жженой резины, а
также масло, воду и другие материалы,
которые обладают высокой излучатель-
ной способностью в ИК-диапазоне, легко
и равномерно наносятся на поверхность и
Удаляются с нее При использовании по¬
добных покрытий могут возникать допол¬
нительные помехи, вызванные мелкими
включениями, воздушными пузырьками и
^равномерной толщиной покрытий Тон¬
кие покрытия достаточно прозрачны как
ЗД* регистрируемого излучения, в резуль¬
тате чего основной материал может "про¬свечивать" через покрытие, так и для из¬
лучения нагрева, что снижает эффектив¬
ность нагрева поверхности Кроме того,
при очень коротких мощных импульсах
нагрева, производимых, например, им¬
пульсными лампами и лазерами, возмож¬
но испарение покрытий вследствие высо¬
кой температуры в конце действия им¬
пульсаСущественным недостатком приме¬
нения покрытий является снижение про¬
изводительности ТК, поэтому чернение
часто используют в лабораторных иссле¬
196Глава 6 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯдованиях для обеспечения наилучших ус¬
ловий ТК, но редко на практикеПервые интенсивные исследования
по ТК авиационных конструкций были
выполнены в США на военных самолетах,
панели которых окрашены защитной
краской зеленого цвета Испытания неок¬
рашенных панелей самолетов граждан¬
ской авиации представляют серьезную
проблему При ТК стальных корпусов хи¬
мических реакторов и алюминиевых ко¬
жухов истинные температуры лучше всего
определяются в зонах, покрытых ржавчи¬
ной, пылью и т п Поставщики тепловизо¬
ров в таких случаях рекомендуют наклеи¬
вать на контролируемую поверхность по¬
лоски липкой ленты, принимая, что для
них е « 0,9 0,96, в дальнейшем возмож¬
на переустановка значений е для нату¬
ральных поверхностей6.2.5. Двухканальные тепловизорыСуммируя сравнительные характеристики
коротковолнового (3,5 5 мкм) и длинно¬
волнового (8 14 мкм) каналов, можно
констатировать, что• КВ канал обладает более высокой
относительной чувствительностью к тем¬
пературным градиентам,• ДВ канал, как правило, характери¬
зуется более высоким температурным раз¬
решением, что особенно важно при термо-
графировании объектов с температурой,
близкой к окружающей,• при полевых съехмках отраженное
солнечное излучение представляет боль¬
шую проблему в КВ канале,• указанные КВ и ДВ соответствуют
окнам прозрачности атмосферы, причем
ДВ окно шире и пропускает больше абсо¬
лютной мощности теплового излучения
для объектов с температурой окружающей
среды,• в спектрозональной съемке с борта
летательного аппарата (самолета, спутни¬
ка) используют большое число каналов
(до 24), что позволяет анализировать раз¬
нообразные физические эффекты, которые
по-разному проявляются на различныхдлинах волн например, в ближнем Ц]С
диапазоне можно отслеживать созревание
сельскохозяйственных культур, спектра
зональный метод используют в аэрокос.
мической разведке,• в ТК преимущество одного канала
перед другим неочевидно, зачастую ос.
новным фактором является спектральное
поведение поверхностных шумов, которыеобусловлены поглощательно-излучатель-ными свойствами материалов,• отношение сигналов в двух каналах
может быть использовано для снижения
влияния излучательной способности на
температурные измеренияПоследняя особенность двухволнов<к
го тепловидения заимствована из цветовой
пирометрии Основная идея заключается в
формировании отношения сигналов8iТГ = —г (6-33)U2 е2 к(П^АХ2Двухволновой метод обладает оче¬
видными преимуществами при пиромег-
рии объектов с достаточно высокой тем¬
пературой и использовании коротковол¬
новых каналов, однако его техническая
реализация для низкотемпературных из¬
мерений не отработанаОдним из немногих примеров ком¬
мерческого двухволнового тепловизора
является исследовательская система
Thermovision-900 фирмы FLIR Systems
(AGEMA Infrared Systems), которая вклю¬
чает в себя два сканера, работающих в КВ
и ДВ диапазонах В последнее время поя¬
вились гибридные детекторы излучения С
двумя разнородными чувствительными
площадками, расположенными одна под
другой, что позволяет эффективно совме¬
щать термоизображения, полученные *
различных спектральных диапазонах.Н Дельгранде с сотрудниками опи¬
сали применение системы Thermovision'
900 для получения карт ей Т [92]. МетоЛ
названный авторами двухволновой
БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ197термографией (dual-band infrared
imaging)’ основан на использовании сиг¬
налов двух каналов с эффективными дли¬
нами волн 5 и 10 мкм{/5 = е Г10, С/,о =£Т5, (6 34)что следует из (6 17) Для получения изо¬
бражений 0 и Е, отражающих соответст¬
венно распределения Т и е, предложены
следующие формулы/ _ \50 =_ U5/U*vЕ =Т ,\ а\ Jи5/и I(6 35)где U$v и U[о - средние пиксельные зна¬
чения в соответствующих изображениях
Более глубокий анализ данного мето¬
да можно провести, используя выражения(6.17) и (6 33) Из (6 33) видно, что подав¬
ление влияния е тем эффективнее, чем
ближе тело по своим излучательным свой¬
ствам к серому, т е , если = е}2, тоUXIU2 не зависит от е В свою очередь,
для устранения влияния техмпературы необ¬
ходимо обрабатывать функцию UxIU^lnzДпя этих двух случаев отношение сиг¬
нал/шум, введенное выражением (6 25),
примет видS(Ul/U2) = (nl-n2)AT/ThT.nt+Ti, Де19/е(6 36)s(tyt/2 ) = °> (637)ГДе 6j2 = 8| /Выражения (6 27) и (6 36), (6 37) по¬
зволяют сравнивать одноволновой и двух¬
волновой способы ИК-термографии
Принципиальное различие между форму¬
лами (6 36) и (6 37) состоит в том, что ну¬
левой результат обработки сигналов по
алгоритму (6 37) означает полное подав-
Ление влияния температуры и возмож¬ность построения карт распределения из¬
лучательных свойств объектов В свою
очередь, отношение сигналов в формуле
(6 36) сохраняет зависимость от е, поэтому
полное подавление излучательных свойств
объектов возможно только для серых тел
Особенности двухволновой ИК тер¬
мографии можно рассмотреть на примере
системы Thermovision-900, для которой
используют следующую модель сигнала в
z-м спектральном диапазонеR.(6 38)где Rl,BnFl - эмпирические константы,определяемые при калибровке конкретно¬
го тепловизораС учетом (6 38) уравнения (6 26),
(6 36) и (6 37) приобретают следующий
видп5(С/,) =B,eBllT AT/Th(Tmit+Th)2 eB,IT -Fx Ae,/s, '(6 39)S(UXIU2) =<J,n„+Thf. Д, еД| /г(еВд/г - F2) - B2 еД;/7 (еД|/г - )(efi>17 -Ft)(eB2lT-F2)
A T!ThA&I2 / C|2(6 40)S(Ul/U^) =(T,mt + Th)-BJT F„в, it ,,D „в,/г e -txB, e 1 - kB2 e -eB‘/r-F,
A T/ThA£12,k !E\2,k(6 41)где к - аналог щ/п2 в формуле (6 37)Очевидно, что надлежащий выбор
величины к может сделать выраже¬
ние^ (С/,/[/2) независимым от температу¬
ры Это значение к можно найти из урав¬
нения
198Глава 6 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯПропускание, %5 6 7 8 9
Длина волны, мкмРис. 6.5. Пропускание атмосферы на грассе 1,8 км13 14В, еВ| /г -кВ-, ев'-1Т —-Кe^/T-F,i _О (6 42)ния атмосферы ослабление ИК-излучения
описывается законом Лахмберта-Бэра.Расчеты показывают, что для двух
распространенных спектральных интерва¬
лов (3 5,5 и 7 13 мкм) величина к близ¬
ка к 2 Это доказывает, что центр тяжести
этих интервалов сосредоточен соответст¬
венно возле длин волн 5 и 10 мкм Таким
образом, двухволновое гепловидение по
зволяет получать изображения излуча-
тельной способности, слабо зависящие от
температуры объектов контроля, однако
построение изображений истинной темпе¬
ратуры зависит от особенностей поведе¬
ния излучательной способности материала
в выбранных спектральных интервалах6.2.6. Прохождение ИК-излучения
через атмосферу ИК-излучение изменяет
мощность и спектральный состав при про¬
хождении через атмосферу в результате
поглощения и рассеяния молекулами га¬
зов, аэрозолями, дождем, снегом и взвеся¬
ми, такими как дым, туман, смог и т п
Основными поглощающими компонента¬
ми являются вода и углекислый газ
Влажность атмосферы характеризуется
количеством осажденной вдоль трассы
воды Например, при температуре воздуха
20 °С и влажности 60 % толщина этого
слоя составляет около 13 мм/км На любой
длине волны и для определенного состоя-_р-г(>)я(6.43)где у - коэффициент, определяющий сте-
пень рассеяния и поглощенияУравнение (6 43) используется в со¬
временных тепловизорах для автоматиче¬
ской перекалибровки температурных от¬
счетов для некоторого среднего состояния
атмосферы и расстояния между теплови¬
зором и объектом контроля, причем по¬
следнее задается оператором с пульта
управления тепловизора Пример профиля
noi лощения вдоль трассы длиной 1,8 км
приведен на рис 6 5 Видно наличие двух
"окон прозрачности" атмосферы 3 ... 5 и
8 14 мкм В нормальной атмосфере эф¬
фектами ослабления можно пренебречь ва
расстояниях до 20 30 м, в то же время
они могут быть решающими, например,
при спутниковой ИК-сьемке Атмосфер*
ныс эффекты играют определенную роль
при 1епловизионной съемке линий элек¬
тропередач, дымовых труб и других уда¬
ленных от наблюдателя объектов В ус¬
ловиях промышленных цехов повышенное
поглощение ИК-излучения может иметь
место при наличии паров воды и пыли
различного происхождения
Глава 7СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО
ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ7.1. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К
ПРОЕКТИРОВАНИЮ УСТРОЙСТВ
АКТИВНОГО ТКТехнология активного ТК, схематич¬
но изображенная на рис 7 1, включает
несколько взаимосвязанных шагов, что
требует системного похода к проектиро¬
ванию устройств контроляИсходным мохментом является описа¬
ние объекта контроля и моделирование
технически возможных процедур его кон¬
троля Под термином "технически воз¬
можная процедура" понимают процедуру,
реализуемую как с точки зрения манипу¬
ляций с объектом, так и с точки зрения
технической реализации компонент сис¬
тем.Исходным пунктом является анализ
объекта контроля Теплофизические ха¬
рактеристики объекта, глубина и размеры
дефекта определяют амплитуду темпера¬
турного сигнала над дефектом и опти¬
мальное время его выявления Предельные
параметры обнаруживаемых дефектов
определяются уровнем шума При пра¬
вильно поставленном 'эксперименте пре¬
обладающими являются компоненты шу¬
ма, обусловленные объекюм контроля
Таким образом, свойства объекта контро¬
ля определяюг требования к аппаратуре
ТК, в частности, к частоте записи термо¬
грамм, мощности и длительности нагрева
Моделирование конкретной процедуры
ТК позволяет осуществить оптимизацию
эксперимента с учетом возможных прак¬
тических ограничений Результатом опти¬
мизированного эксперимента, как прави¬
ло» является температурная функция
определенная в каждой точке
иоследо-вательности термограмм (см гла-
Вы 2, 3) Анализ экспериментальных дан¬ных проводят с помощью специализиро¬
ванного программного обеспечения (соф¬
твера), ставя цель обнаружить дефекты с
заданными статистическими характери¬
стиками, такими как вероятность правиль¬
ного обнаружения и вероятность ложной
тревоги (см главу 8) Если дефект обна¬
ружен, возможна оценка его параметров
путем решения обратной задачи ТК (см
главу 4) Процедуры контроля завершают¬
ся составлением карт дефектов, которые
являются бинарными изображениями, где,
например, единицу приписывают пиксе¬
лям, относящимся к дефектным областям, а
ноль - бездефектным областямС учетом технологии ТК, описанной
выше, основными компонентами систем
ТК являются 1) источник нагрева, 2) ком¬
пьютерная тепловизионная система,3) специализированные компьютерные
программы для моделирования задач ТК и
обработки экспериментальных данныхСледуя данной технологии, в главах2 4 изложены алгоритмы моделирова¬
ния и дефектометрии Глава 5 посвящена
описанию алгоритмов ТК В настоящей
главе рассмотрены источники нагрева и
тепловизионные системы7.2. КОММЕРЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ТКАктивный ТК конструкционных ма¬
териалов, полуфабрикатов и готовых из¬
делий можно рассматривать как штатный
метод НК в ограниченном числе стран,
прежде всего в США, Франции, Германии
и, в какой-то степени, в СССР Подав¬
ляющее число систем, описанных в мно¬
гочисленных публикациях, были разрабо¬
таны для лабораторных исследований и в
редких случаях заканчивались тиражиро¬
ванием в заметных количествах Краткое
200 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯОписание объекта и
его моделированиеIОптимизация
процедурыIЭкспериментIАнализ данных1_1 ^—е1 Обнаружение, ~ *|Дефектометрия| дефектовI Карта дефектовОРис. 7.1. Технология активного ТКописание коммерческих систем активного
ТК приведено в табл 7 1В СССР был разработан ряд исследо¬
вательских систем активного ТК стекло¬
пластиковых композитов (ЦНИИ СМ,
г Загорск, и ХИРЭ, г Харьков), паяных
конструкций (НИИ ИН, г Томск), элек¬
тронных компонент (ВНИИ "Электрон-
стандарт", г Гатчина, и МГУ, г Москва),
многослойной теплозащиты (НПО "Ал¬
тай", г Бийск, НПО "Спектр", г Москва, и
НИИ ИН, г Томск) С началом перестрой¬ки данные работы, проводившиеся, преж¬
де всего, в интересах обороны страны,
были свернуты Из систем, разработанных
в последние годы, можно отметить установ¬
ку для активного ТК металлопроката (фирма
"ВЕМО", г Москва), компьютерную систе¬
му ТК авиационных материалов и изделий»
реализующую различные типы нагрева В
тепловизоры фирмы FLIR Systems, США
(фирмы "ПЕРГАМ" и "Инновация"), а так$
компьютерные системы испытаний ‘
ных лопаток (ВИАМ и НПО "Салют")
КОММЕРЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ТК2017.1. Коммерческие системы активного ТКСистема (фирма-производитель)Краткое описаниетмEchoTherm(Thermal Wave Imaging, США)Портативная система НК металлов,
композитов, керамик и полимеров (импульс¬
ный ТК) Кольцеобразные или трубчатые
импульсные лампы, кварцевые галогенные
лампыТМThermoScope(Thermal Wave Imaging, США)Развитие системы EchoTherm™ Интег¬
рированная система импульсного нагрева,
сбора данных и анализа— . TM
Sapphire(CEDIP, Франция)Система компьютерной обработки дан¬
ных, включая Фурье-анализTIP(Bales Scientific, США)Система импульсного ТК и компьютер¬
ной обработки данных с помощью специали¬
зированного процессораСистема ТК с использованием пе¬
риодических тепловых волн(AGEMA Infrared Systems, Германия)Система использует базовый тепловизи-
онный комплекс Thermovision™ 900, мало¬
мощный периодический нагрев, принцип
синхронной термографии, построение фазо-
граммAladinrM(Siemens, Г ермания)Система реализует принцип теплового
микроскопа, метод тепловых волнCompuTherm™(EDO, США)Система ТК изделий микроэлектроникиBarnes RM-2A(EDO, США)ИК-микроскоп для ТК изделий микро¬
электроникиAltai'r LI(CEDIP, Франция)Система для визуализации механиче¬
ских напряжений в материалах в диапазоне
частот от 0,1 до 1000 Гц, диапазон напряже¬
ний ±2000 МПа (по алюминию), разрешение
по напряжению 0,4 МПа (по алюминию),
температурное разрешение 0,02 °СВозможно решение задач НК методами
синхронной и фазовой термографииFDM 2000A(CEDIP, Франция)Портативное устройство для определе¬
ния температуропроводности материалов по
методу ПаркераMECIR(Университет г Реймса и фирма
Avion Marcel Dassault, Франция)Система импульсного ТК изделий авиа¬
космической техники на базе тепловизоров
фирмы AGEMA Infrared Systems (FLIR Sys¬
tems)
202 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯПродолжение табл 7,1Система (фирма-производитель)Краткое описаниеThermoSoniX(Indigo Systems, США)Система для синхронной ультразвуко¬
вой ИК-термографии, спектральный диапа¬
зон 35 мкм, температурное разрешение
<0,02 °С, частота кадров 60 Гц, формат 256 х
х 256, несущая частота 20 кГц, мощность
ульгразвукового излучения до 400 ВтThermal Bond Inspection Systems
(NASA, США)Система импульсного ТК изделий авиа¬
космической техникиСистемы ТК фирмы THERMOSEN-
SORIK (Германия)На базе собственных QWIP и FPA теп*
ловизоров фирма предлагает системы им¬
пульсного ТК, в частности, роботизирован¬
ную систему испытаний покрытий турбин¬
ных лопаток С использованием эталона оце¬
нивают толщину покрытия и параметры рас¬
слоений между покрытием и основным мате¬
риалом (осмотр с 5-ти ракурсов производят
за 40 с) Основной алгоритм обработки ин-
формации - преобразование Фурье во време¬
ниСистемы ТК фирмы InfraTec (Герма¬
ния)В сотрудничестве с фирмой CEDIP
предлагаются системы импульсного ТК, соб¬
ственный профиль фирмы - пассивная ИК-
диагностика с использованием тепловизоров
VanoscanПереносная система активного ТК
(Университет г Хельсинки, Финлян¬
дия)Система состоит из ручного сканера jt
блока управления В сканере размещена сис¬
тема линейного нагрева (лазерный нагревГ
размер строки сканирования 30 х 0,2 мм*
мощность до 15 Вт, индукционный нагрев, ка¬
тушка размером 60 х 7 мм, частота 1 30 МГц*
мощность до 200 Вт) Используется для кон¬
троля углепластиковых композитов и покры*
тий на металлах"ИНТРОТЕРМ"(Центр лазерных технологий, Рос¬
сия)Система фототермического контроля;,
пространственное разрешение 50 мкм, пол¬
ное поле обзора 200 х 200 мм, мгновенное
поле зрения 6 х 25 мм, производительность
испытаний до 3 см2/с _"ИнфраТест"(Научный Парк МГУ, Россия)Система для лазерного фототермическо¬
го контроля Использованы световод и диод¬
ный лазер мощностью 1 10 Вт, работающий
на длине волны 0,98 мкм
ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОВОЙ СТИМУЛЯЦИИ ОБЪЕКТОВ ТК203Продолжение табл 7 1Система (фирма-производитель)Краткое описаниеУстановка активного ТК проката
("ВЕМО”, Россия)Система разработана для российских ме¬
таллургических предприятий Использует
кварцевые лампы или газовые горелки для на¬
грева движущегося металлического листа и
коммерческий тепловизор для регистрации
1емпературы в оптимальный момент времениСистема обнаружения воды в авиа¬
ционных соговых панелях
(ПЕРГАМ - "Инновация", Россия)На базе тепловизоров FLIR Systems пред¬
лагается система пассивного и активного обна¬
ружения воды в композиционных и алюминие¬
вых конструкциях самолетовСистема акшвного ТК турбинных
лопаток (ВИАМ, НПО "Салют", Рос¬
сия)Системы для тепловизионного контроля
внутренних каналов турбинных лопаток7.3. ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОВОЙ
СТИМУЛЯЦИИ ОБЪЕКТОВ ТКФизическая природа тепловой стиму¬
ляции зачастую решает тип процедуры ТК
и схему стимуляции (см главу 1) Как
правило, объект контроля нагревают, по¬
скольку интенсивность охлаждения обыч¬
но невысока (исключение составляет ох¬
лаждение раскаленного мегапла сгруей
воды)Распространены следующие типы на¬
грева 1) оптический, 2) индукционныи,3) сверхвысокочастотный (СВЧ), 4) элек¬
трическим током, 5) механический, 6) го¬
рячими или холодными газами или жид¬
костямиПространственные профили зон на¬
грева показаны на рис 7 2Согласно теории ТК, изложенной в
главах 2 4, наилучшее выявление скры-
^ Дефектов в конструкционных мате¬
риалах обеспечивает мощный кратковре¬
менный нагрев Этому требованию соот¬ветствуют все вышеперечисленные виды
нагрева, за исключением механического и
с помощью газов или жидкостейСтимулирующий нагрев электриче¬
ским током используют преимущественно
в лабораторных исследованиях, за исклю¬
чением ТК электротехнических и радио¬
электронных компонент, нагреваемых
электрическим током в процессе их функ¬
ционированияКонтактные электронагреватели
либо подают мощные импульсы электри¬
ческого тока непосредственно в металли¬
ческие изделия, либо нагревают изделия
за счет теплопроводности при механиче¬
ском контакте Важные преимущества
нагрева гелей первого типа - кратковре¬
менность действия (доли и единицы се¬
кунд) нагрева и отсутствие излучательных
помех, их недостатки - большая сила тока
во вторичной обмотке понижающего
трансформатора и наличие контактного
сопротивления между изделием и концами
вторичной обмотки Нагреватели второго
204 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯЗона нагрева
Распределенный нагревЛокализованный нагревIIIжТ АПрофиль нагреваплЛ/шд*Рис. 7.2. Профили зон нагреватипа, снабжаемые выравнивающими мед¬
ными пластинами, могут создавать боль¬
шую зону нагрева, но обладают большой
тепловой инерцией, создают мощную из-
лучательную помеху и требуют хорошего
контакта поверхности нагрева с изделием
Часть из указанных недостатков преодо¬
лена в современных гибких нагревателях,
в частности, на углеродных нитях Нагре¬
ватель подобного типа, названный "тепло¬
вым одеялом", применяется европейскимконцерном Airbus Industry для обнаруже¬
ния воды в композиционных сотовых па*
нелях самолетовВ индукторах и СВ Ч-нагревателяг
используют эффект преобразования энер¬
гии поля, созданного током высокой час;
тоты, в тепловую энергию При индукдй1,
онном нагреве металлическое изделие
должно быть охвачено витком провода, ПО
которому пропущен переменный ток, соЗ*
дающий переменное магнитное поле-
ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОВОЙ СТИМУЛЯЦИИ ОБЪЕКТОВ ТК2057.2. Промышленные СВЧ-источники для нагрева диэлектриков [93]МатериалЧастота,кГцУдельнаямощность,Вт/см3Напряжен¬
ность поля,
В/смПродолжи¬тельностьнагревадревесина (сушка)3000,04400до 30 чдревесно-волокнистая
масса (сушка)20 0001,55005 30 минБумага (сушка)30 0005,0800ДоЗ чВинипласт (сварка)75 00060010 0000,5 20 сПластмасса (сварка)200 000150030 0000,03 сВследствие электромагнитной индукции в
изделии наводятся вихревые токи, кото¬
рые вызывают нагрев металла При воз¬
растании частоты тока возрастает скин-
эффект, проявляющийся в неравномерном
распределении плотности тока по сечению
и увеличении его на поверхности Энерге¬
тически рациональность процесса индук¬
ционного нагрева определяют по наи¬
меньшей частоте тока обеспечиваю¬
щей приемлемый КПД Рекомендуют сле¬
дующую формулу [93]/т1П=8/(1цр), (7 1)где L - средний размер нагреваемого тела,
м, \х - магнитная проницаемость, Гн/м,
р-удельная электрическая проводимость,
Ом/мИндукционный нагрев, весьма рас¬
пространенный в металлургии, в ТК ис¬
пользуется сравнительно редко Этот вид
нагрева эффективен для стимуляции ме¬
таллов, находящихся за неметаллами, при
этом хорошо выявляются дефекты в зоне
контакта неметалл-металл Для стальных
сплавов можно применять ток промыш¬
ленной частоты (50 Гц) Д Грином описан
способ нагрева цилиндрических тепловы¬
деляющих элементов (ТВЭЛ) одиночным
ИнДукционным витком [94]Нагрев диэлектриков переменным
электрическим полем происходит благо¬
даря феномену переполяризации, проте¬
кающему с преодолением сил трения Эф¬
фективность нагрева возрастает при уве¬личении тангенса угла потерь диэлектрика
tg 8 Удельную мощность W (Вт/см3), под¬
водимую источником высокочастотной
энергии к телу, которое размещено между
пластинами конденсатора, определяют по
формуле [93]W = 0,55 10-12 etg8 / Е2, (7 2)где / - частота, Гц, Е - напряженность
электрического поля, В/смДля нагрева диэлектриков использу¬
ют средневолновый (/* = 300 3000 кГц),
коротковолновый (f= 3 30 МГц) и мет¬
ровый (f = 30 300 МГц) диапазоны Ха¬
рактеристики промышленных источников
СВЧ-тока приведены в табл 7 2С точки зрения ТК, дополнительным
преимуществом нагрева излучением СВЧ-
диапазона, как и электрическим током,
является то, что он можег действовать по
всему объему тела, повышая контраст
температуры в зоне дефекта В частности,
СВЧ-нагрев имеет неоспоримые преиму¬
щества при обнаружении влаги в порис¬
тых неметаллахВ дуговых нагревателях газа - плаз¬
мотронах - используется столб плазмы,
возникающей между катодом из тугоплав¬
кого материала и анодом, в качестве кото¬
рого служит изделие или сопло В сопло,
изготовленное обычно из меди и охлаж¬
даемое водой, подается газ, молекулы или
атомы которого ионизируются при высо¬
кой температуре В плазменных установ¬
ках для резки металлов плотность энергии
206 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНГРОЛЯможет достигать 2 1010 Вт/м2 Плазмотрон
можно использовать для быстрого скани¬
рующего нагрева, однако нестабильность
пламени, оптическая помеха, громозд¬
кость и высокая стоимость не позволяют
считать этот источник перспективным в
ТКПрактически не используют в ТК
электронно-лучевые пушки, которые при
сварке MoiyT создавать плотность потока
до 10п Вт/м?, однако требую г вакуума не
менее 10'5 Па (при нормальном давлении
длина свободною пробега электронов со¬
ставляет всего 3,5 10’3 м)При ТК слоистых, композиционных и
сотовых изделий, применяющихся глав¬
ным образом в авиакосмической технике,
наиболее популярны оптические способы
нагрева, которые реализуют с помощью
1) лазеров, 2) импульсных ламп, 3) гало¬
генных ламп непрерывного действия,4) стандартных электрических ламп нака¬
ливания Преимуществами лазеров явля¬
ются возможность варьировать размеры
зоны нагрева, монохроматичность излуче¬
ния и высокая плотность мощности (до
1021 Вт/м2) Монохроматичность важна,
если поверхность изделия визируют теп¬
ловизором в ходе нагрева, поскольку при
этом возможно разнесение спектрального
диапазона лазера и тепловизора, однако на
практике такой способ ТК разрабатывался
для ограниченного круга задач, в часто¬
сти, исследователями из Университета
Джонса Гопкинса (США) [26] Высокую
плотность мощности лазерного нагрева
получают в зонах малого размера, поэтому
такой способ плохо сочетается с теплови-
зионной регистрацией температуры При
использовании техники "летающего пят¬
на" мощность лазерного излучения "раз¬
мазывается" по большой плошади, снижая
среднюю подводимую мощности Учиты¬
вая, что КПД лазеров, как правило, неве¬
лик, их практическое применение в ТК
ограничено определением температуро¬
проводности высокотеплопроводных об¬
разцов по методу Паркера и рядом специ¬
альных задач НК (см главу 9)В практических установках, напри,
мер, фирмы Thermal Wave lmagm^
(США), используемых в авиакосмической
промышленности, чаще всего применяют
ксеноновые импульсные чампы Такие
лампы используют для накачки лазеров а
также в качестве ламп-вспышек в павиль
онной фотосъемке Коммерческие фогогра-
фические системы, как правило, включают
две лампы с энергией 3 кДж каждая и один
блок питания, длительность вспышки со*
ставляет приблизительно 5 мс Такие сисг^
мы производятся фирмами Balcar, Calumet,
Bowens и др Спектр излучения ксеноновых
ламп равномерный в интервале от ОД до1,4 мкм с выбросами на некоторых длинах
волн Применение импульсных ламп часто
требует введения дополнительных уст¬
ройств фокусировки В специализирован-
ных системах ТК используют несколько
трубчатых ламп с энергией 2 5 кД*
каждаяОдной из проблем применения кратко¬
временного мощного излучения (0,1 1 мс)
может быть перегрев изделия в конце дей¬
ствия импульса Температура тонкого
приповерхностного слоя изделия может
превысить сотни, а в ряде случаев, тысячи
градусов, в результате чего, например,
возможно испарение покрытий различного
типа (красок) Для устранения этого явле¬
ния необходимо увеличивать длитель*
ность импульса до 10 100 мс Другой
проблемой оптического нагрева металлов
является их высокий коэффициент отра*
жения, что существенно снижает эффек¬
тивную поглощаемую энергию и привода
к нежелательным отражениям Поэтому
металлы, в особенности, алюминий, медь,
нержавеющую сталь и г п , целесообразно
контролировать тепловым методом при
наличии на их поверхностях красок илй
лаков любых типа и цвегаВесьма технологичными являютс*
ИК-излучатет, которые подразделяют на:
1) высокотемпературные, нагреваемые ДО
1500 °С (ИК-лампы накаливания, кварД®*
вые галогенные лампы и in), 2) низко*
температурные, нагреваемые до 450-
ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОВОЙ СТИМУЛЯЦИИ ОБЪЕКТОВ ТК207а)б)в)Рис. 7.3. Примеры оптических нагревателей:д-импульсные ксеноновые лампы (плотность энергии до 25 кДж/м2, длительность нагрева 1 мс,
неравномерность нагрева 10 % в юне 0,2 / 0,2 м), б - галогенные лампы (плотность энергии
до 5 кВт/м2, длительность нагрева 5 50 с, неравномерность Haipeea 25 % в юне 0,5 х 0,5 м),
в - пампа накаливания с рефлектором (плотноегь энергии до 2 кВт/м\ дггительность нагрева1 1000 с, неравномерность нагрева до 300 % в зоне 0,5 х 0,5 м)1000 °С (кварцевые стеклянные, керами¬
ческие, металлические и другие излучате¬
ли), 3) низкотемпературные, нагреваемые
до 450 °С (стеклянные, керамические, ме¬
таллические) Кварцевые галогенные лам¬
пы, мощность которых изменяется от 0,5
до 2,5 кВт, выпускают различной формы и
размеров На их основе разрабатывают
достаточно мощные и гибкие нагреватели,
пригодные для ТК разнообразных изде¬
лий, выполненных преимущественно, из
неметаллов Длительность нагрева в таких
случаях не превышает десятков секунд
Сходные результаты, но при более дли¬
тельном нагреве, достигаюi, используя
стандартные лампы накаливания Большоеколичество ламп накаливания объединяют
в батареи, обеспечивающие нагрев на зна¬
чительной плошади Возможно использо¬
вание одиночной лампы накаливания
большой мощности (до 1 кВт) в светиль¬
нике прожекторного типа Одиночные
лампы с внешними или внутренними реф¬
лекторами хорошо стыкуются с точечны¬
ми ИК-радиометрами Плотность энергии
в зоне облучения ламповыми нагревате¬
лями может достигать 50 кВт/м2 В неко¬
торых задачах ТК возможно использова¬
ние солнечного излучения, плотность
мощности которого в средних широтах в
безоблачный день составляет приблизи¬
тельно 1 kBi/m~Рис. 7.4. Температурное поле зачерненной мишени размером 0,5 х 0,5 м на
расстоянии 0,6 м после нагрева в течение 5 с с номошью i ало1енной лампы (рис. 7.3, б)
208 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ7.3. Формы импульсов нагрева при моделировании задач ТКИмпульс ДиракаПрямоугольныйимпульсГ ауссовский
импульсПоследователь¬
ность импульсовJ LЛШ1Оптическое излучение легко подда¬
ется модуляции, что используют в методе
тепловых волн Форма одиночного им¬
пульса нагрева, как правило, не имеет су¬
щественного значения для результатов
ТК В ряде случае следует учитывать сла¬
бый длительный нагрев, производимый
горячими баллонами ламп уже после
окончания импульса нагрева В целом, при
моделировании процедур ТК, используют
формы импульса нагрева, приведенные в
табл 7 3 Некоторые оптические нагрева¬
тели показаны на рис 7 3Для того, чтобы реализовать высо¬
кую производительность тепловидения,
источник нагрева должен обесиечивагь
требуемую плотность энергии в зоне как
можно большего размера Форму и размер
зоны нагрева удобно определять эмпири¬
чески, используя зачерненную мишень,
выполненную из материала с низкой теп¬
лопроводностью На рис 7 4 для нагрева¬
теля рис 7 3, б показано поле облучения
мишени размером 0,5 х 0,5 м на расстоя¬
нии 0,6 м Максимальная неоднородность
нагрева от центра к периферии составляет
25%Со строчно-сканирующими система¬
ми хорошо сочетаются полосовые нагре¬
ватели сопротивлением на основе сплавов
с высоким электрическим сопротивлением
(нихрома, фехраля, константана), выпус¬
каемые в виде проволок, лент и полос
Часто используют нагреватели в виде ци¬
линдрического керамического стержня, на
который вплотную ипи с шагом намотана
нихромовая проволока толщиной 0,5 3 мм
Такие нагреватели обладают регулируе¬мым распределением потока по длине,
обеспечивая плотность энергии д0
100 кВ г/м2 Из промышленных устройств
к ним наиболее близки трубчатые элек¬
тронагреватели (ТЭН) Недостатки поло-
совых нагревателей необходимость раз¬
мещать их вблизи объекта контроля, труд,
носгь нагрева больших зон и высокая
инерционность Недавно исследователями
NASA (США) на базе подобного нагрева¬
теля предложена установка ТК дня выяв¬
ления коррозии в алюминиевых самолет¬
ных панелях и гонких стальных листахВ комплекте с тепловизорами пер¬
спективно применение плоских нагре¬
вателей с пластинчатым зигзагообразные
телом накала из высокоомных резистив*
ных материалов и сплошных полупрово-
дящих слоев, нанесенных на термостойкое
стеклоНаиболее прост в реализации способ
нагрева изделий с помощью потока горя¬
чего воздуха, производимого устройства¬
ми типа фена, или "воздушной пушки*
(fan, air gun) Температуру поверхности
можно контролировать тепловизором в
ходе нагрева, однако эффективная мощ¬
ность, поглощаемая изделием, при этом
невелика (обычно до 500 В г/м2) Данный
вид нагрева применим для ТК неметаллов,
в которых, с одной стороны, температур-
ные градиенты развиваются в течение
длительного времени, а, с другой стороны,
имеется опасность перегрева поверхности
при использовании более мощного нагре*
ва Слабый равномерный нагрев возможен
путем перемещения объекта контроля из
помещения с одной температурой в дрУ*^
ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОВОЙ СТИМУЛЯЦИИ ОБЪЕКТОВ ТК209более теплое (холодное) помещение В
частности, такой способ был предложен
у Беллером еще в 1965 г при ТК корпу¬
сов ракетных двигателей [3]Тепловую стимуляцию путем охлаж¬
дения осуществляют путем размещения
изделий в холодильнике или опрыскива¬
ния жидким азотом Воду в соювых авиа¬
ционных панелях можно обнаружить при
посадке самолета за счет естественной
разницы температур в условиях полета и
на землеНагрев за счет механического гисте¬
резиса применяют в экспериментах с низ¬
кочаст отным циклическим нагружением
образцов Это1 процесс является относи¬
тельно слабоэнергетическим и пригоден в
исследованиях по анализу разрушения
материалов Попытки использовать такой
способ на практике не получили распро¬
странения в силу низкого отношения сиг¬
нал/шум В то же время в последние годы
интенсивно разрабатывают процедуру ТК
с использованием ультразвукового возбу-
вдения тепловых полей (см п 5 9 2), ос¬
новным преимушес!В0м которой является
селективный нагрев специфических де¬
фектов при практически ненагреваемом
объекте испытанийПри выборе оптимального источника
тепловой стимуляции руководит вуются
следующими факторами 1) степенью кон¬
такта с обьектом, 2) необходимой дли¬
тельностью нагрева, 3) возможностью
модулировать излучение, 4) излучаемой
мощностью (энергией), 5) мощностью
(энергией), эффективно поглощаемой кон¬
кретным обьектом контроля, 6) спек¬
тральным диапазоном (в случае использо¬
вания оптического излучения), 7) шумами,
создаваемыми в тракте регистрации тем¬
пературы, 8) требованиями техники безо¬
пасности, 9) КПД7.4. СИСТЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ
ИЗОБРАЖЕНИЙ В ИК-ДИАПАЗОНЕ
(ТЕПЛОВИЗОРЫ)Исследование пространственных рас¬
пределений температуры по одной илидвум координатам требует сканирования
поверхности объекта, которое осуществ¬
ляют либо механически (оптико-меха-
нически), либо электронным способомВ течение второй половины ХХ-го
века использование принципа оптико¬
механического сканирования было одной
из основных черт, разделявших системы
визуализации в видимом (ближнем ИК) и
средневолновом ИК-диапазоне В оптико¬
механических устройствах отклонение
угла зрения производят с помощью ко¬
леблющихся или вращающихся оптиче¬
ских элементов (призм и зеркал), что тре¬
бует их прецизионной механической об¬
работки и сборки В 1970-90-х годах в
коммерческих тепловизорах применяли, в
основном, две системы опгико-меха-
нического сканирования Первая система,
воплощенная в приборах фирм AGEMA
Infrared Systems (Швеция), использовала
вращающиеся во взаимно-перпендику-
лярных направлениях кремниевые приз¬
мы, через которые проходил регистрируе¬
мый поток ИК-излучения (кремний обла¬
дает высоким коэффициентом преломле¬
ния в ИК-диапазоне и обеспечивает необ¬
ходимые углы отклонения оптического
луча) Вторая система, в которой сканиро¬
вание осуществлялось колеблющимися
зеркалами, была запатентована и реализо¬
вана фирмой Inframetrics (США)Принцип электронного сканирования
был реализован в разработанных в конце
ХХ-го века матричных фотодетекторах
нового поколения В англоязычной лите¬
ратуре этот тип фотоприемников называ¬
ют матрицами, размещаемыми в фокаль¬
ной плоскости объектива (Focal Plane Ar-
ray-FPA) Основными преимуществами
матричных систем тепловидения являются
отсутствие движущихся механических
частей и одновременное визирование сце¬
ны всеми чувствительными площадками
одновременно Последнее преимущество,
которое, реализовано только в устройст¬
вах мгновенного визирования (snapshot),
позволяет увеличить время экспозиции
каждой чувствительной площадки, т е
210 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯПоле зрения
v Мгновенный
\Поле зренияОдноэлементный
детекторМгновенный угол зренияа)б)Рис. 7.5. Схемы тепловизоров с оптико-механическим (а)
и электронным сканированием (б)уменьшить шумы, и обеспечить одновре¬
менное наблюдение быстроменяюгцихся
тепловых событий (например, при ТК
коррозии тонких алюминиевых листов)Упрощенные схемы тепловизоров,
реализующих оптико-механическое и
электронное сканирование приведены на
рис 7 5 Оптико-механические системы
содержат большое количество движущих¬
ся деталей, тогда как матричные теплови¬
зоры фактически являются передающими
телевизионными системами ИК-диапа-
зонаСовременные матрицы используют
как фотонные, так и тепловые ИК-
приемники Наиболее доступны по цене
показывающие и измерительные теплови¬
зоры, работающие на неохлаждаемых бо¬
лометрических (ферроэлектрических) мат¬
ричных детекторах Для специальных
применений, где требуется высокая часто¬
та смены термоизображений, повышенное
температурное разрешение или спек¬
тральная селективность, разработаны теп¬
ловизоры на охлаждаемых матрицах Наи¬
более распространены матрицы на основе
силицида платины (PtSi), антимонида ин¬
дия (InSb), тройных соединений (HgCdTe)
и так называемых квип-материалов
(QWIP), в частности арсенида галлия
GaAsТепловизоры являются опгико-
электронными приборами, состоящими из• ИК-приемника (детектора излуче¬
ния),• объектива,• сканера (кроме матричных теплови*
зоров),• устройства охлаждения ИК-приемк
ника (отсутствует в ряде моделей),• встроенного эталона температуры;• электронного блока,• монитора,• программного продуктаКоммерческие тепловизионные сиС*темы также включают• систему записи и твердого копиров
вания термограмм,• систему транспортировки прибора;• блок питания и/или аккумулятора.Тепловизоры разного примененияобладают различными техническими xat
рактеристиками и стоимостью, однако I
основе их работы лежат общие физич^
ские принципы, рассмотренные ниже.7.5. ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО
ИЗЛУЧЕНИЯПриемники, или детекторы излуче*
ния, принимающие и преобразующий
энергию оптического излучения в энергий
других видов, подразделяют на биологичек
ские и физические Среди биологически#
приемников излучения (ПИ) следует вы¬
делить человеческий глаз, который реги¬
ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ211стрирУет ВИДИМЫЙ свет в диапазоне длин
волн от 0,38 до 0,78 мкм и диапазоне яр¬
костей, перекрывающем 11 порядков По¬
сле адаптации к темноте глаз воспринима¬
ет тепловое излучение объектов, начиная с
температуры 450 °С Таким образом, при
соответствующих условиях, человек мо¬
жет "термографировать" перегретые элек-
^ические контакты, горячий металл и
другие объекты с температурой выше
упомянутого порогафизические ПИ генерируют электри¬
ческий сигнал, пропорциональный мощ¬
ности оптического излучения, поглощен¬
ного их чувствительными площадками
Приемники ИК-излучения включают• чувствительный элемент (элемен¬
ты),• входное окно, отделяющее внеш¬
нюю среду от замкнутого объема вокруг
чувствительного элеменла,• апертуру, ограничивающую поле
зрения (возможно охлаждение и/или тер¬
мостабилизация апертуры),• сосуд Дьюара с хладоагентом (воз¬
можна система охлаждения на базе термо¬
электрических холодильников или микро¬
компрессора Стирлинга, некоторые детек¬
торы работают при температуре окру¬
жающей среды)ПИ разделяют на два основных клас¬
са: тепловые и фотонные (фотоэлектри¬
ческие)Принцип действия тепловых детекто¬
ров основан на одном из четырех явлений
1) болометрическом эффекте (изменение
электрического сопротивления чувстви¬
тельного элемента при нагреве поглощен¬
ным ИК излучением), 2) термоволътаиче-
ском эффекте (выходное напряжение ге¬
нерируется нагретым спаем разнородных
металлов), 3) термопневматическом эф¬
фекте (изменение температуры детектора
вызывает расширение газового объема),4) пироэлектрическом эффекте (измене¬
ние температуры вызывает модуляцию
Дипольного момента кристаллического
чувствительного элемента)В фотонных детекторах поглощенные
кванты излучения (фотоны) увеличивают
число свободных носителей электрическо¬
го заряда, изменяя электрическое состоя¬
ние чувствительного элемента При ис¬
пользовании эффекта фотопроводимости
поглощенное ИК-излучение изменяет
электропроводность чувствительного эле¬
мента В рамках фотовопьтаического эф¬
фекта, поглощенное излучение создает
электронно-дырочные пары вблизи р-п
перехода, генерируя электрический ток В
меньшей степени в детекторах ИК-
излучения используют фотоэлектромаг-
нитный эффект7.5.1. Тепловые приемники. Прин¬
цип действия болометра основан на изме¬
нении электрического сопротивления по¬
лупроводника или металла при нагреве
чувствительного элемента поглощенным
тепловым излучением Исторически боло¬
метры были одними из первых видов ИК
детекторов, однако их применение в теп¬
ловизорах в течение длительного времени
сдерживалось их значительной инерцион¬
ностью В конце ХХ-го века появились
малоинерционные микроболометрические
(ферроэлектрические) матрицы, на основе
которых были созданы неохлаждаемые
матричные тепловизоры, получившие в
настоящее время большое распростране¬
ниеПироэлектрические приемники излу¬
чения производят из материалов, назы¬
ваемых сегнетоэлектриками, например
титаната бария Эти материалы обладают
постоянной электрической поляризацией,
являющейся сильной функцией темпера¬
туры В течение длительного времени раз¬
рабатывали недорогие ИК-тепловизоры на
базе пироэлектрических видиконов (пиро-
видиконов), однако в настоящее время они
практически полностью вытеснены тепло¬
визорами с матричными де!екторамиИнфракрасные термометры (пиро¬
метры) часто используют тепловые при¬
емники на основе термоэлементов, рабо¬
тающих на принципе термоэффекта Зее-
212 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ* „ 1/2
D (k/,1), см-Гц /ВтДлина волны, мкмРис. 7.6. Спектральная зависимое!ь D* для распространенных
детекгоров оптического излучениябека В качестве материалов для металли¬
ческих термоэлементов используют сурь¬
мяно-висмутовые спаи, серебро, железо,
теллур, константан, хромель и различные
сплавы этих веществ В полупроводнико¬
вых термоэлементах применяют сурьму,
кремний, теллур, селенТепловые детекторы имеют плоский
характер спектрального хода обнаружи-
телъной способности D * (см определе¬
ние D * в п 75 6), те они являются несе-
лекгивными и не требуют охлаждения, но
сама величина D* при этом значительно
хуже, чем у фотонных приемников
(рис 7 6)7.5.2. Фотоэмиссионные детекторы.В этих устройствах поток электронов, соз¬
дающий электрический ток в первичной
цепи, образуется за счет внешнего фото¬
эффекта, который имеет место на фото¬
катоде, подверженном воздействию опти¬
ческого излучения Максимальная длина
волны регистрируемого излучения опре¬
деляется работой выхода электрона из
фотокатода, в частности, для кислородно-
серебряно-цезиевого фотокатода она со¬ставляет 1,3 мкм К фогоэмиссионныМ'
фотоприемникам относят вакуумные и
газонаполненные фотоэлементы (ФЭ) и
фотоэлектронные умножители (ФЭУ). В
ФЭУ электроны ускоряются в электриче¬
ском поле и умножаются за счет вторич*
ной эмиссии на динодах Коэффициент
умножения в десятисгупенчатой системе
может составлять от 105 до 107 Типичная
постоянная времени составляет около10 не Фотоумножители обычно исподь*
зую1 для регистрации слабых световых
потоков в микроваттном диапазоне мощ¬
ностей, поскольку большие мощности ре*
гистрируемого излучения могут повредить
последние динодыВ тепловизионных системах фото*
эмиссионные приемники не используются.7.5.3. Фотонные детекторы. Фотон¬
ные детекторы реализуют явление внугп*
реннего фотоэффекта, при котором нсЬ
сители заряда не покидают материал де*
тектора, а переходят в зону проводимостй
либо с примесного уровня, либо из ва*
лентной зоны Спектральный ход детектй*
рующей способности распространенных
фотонных детекторов показан на рис 7.6~
ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ213Падающее излучениеЗона считываниярейф
зарядов1 1 {в 1±1X ч^ Зона дрейфа ^
ВыходнойВнешний усилительИсточниксмещенияРис. 7.7. Принцип действия СПРАЙТ-де гектораСульфид свинца PbS был первым
практическим детектором, разработанным
в Германии перед второй мировой войной
В 50-е г появление новых фотопроводя¬
щих материалов, таких как селенид свинца
PbSe, теллурид свинца РЬТе и антимонид
индия InSb, позволило освоить спектраль¬
ный диапазон ИК-излучения до 3 5 мкм
Использование примесных уровней меди,
цинка и золота в германии расширило
диапазон до 30 мкмВ конце 50-х годов в Великобритании
разработан приемник на тройном соеди¬
нении HgCdTe, который наряду с прием¬
никами из антимонида индия, длительное
время оставался одним из распространен¬
ных в силу стабильности свойств и воз¬
можности варьировать основные парамет¬
ры. В начале 1960-х годов появилась тех¬
нология фотолитографии, которая позво¬
лила создавать матричные детекторы, пер¬
воначально на основе PbS, PbSe и InSb К
1970-м г большинство линейных матрич¬
ных детекторов военного применения бы¬
ли изготовлены из HgCdTeПервые линейные мозаики, вклю¬
чавшие до 200 чувствительных площадок,
имели физические выводы от каждойплощадки По мере улучшения парамет¬
ров детекторов, появились приборы, вы¬
полненные по так называемой СПРАЙТ
(SPRITE-Signal Processing In The Element)
технологии, которая была предложена
И Бейкером с соавторами [95]Охлаждаемые до криогенных темпе¬
ратур СПРАЙТ-приемники остаются од¬
ними из применяемых детекторов ИК-
излучения (рис 7 1) Их изготавливают в
виде полоски из материала HgCdTe, кото¬
рую размещают на сапфировой подложке
Сущность технологии состоит в том, что
полоска вытянута в направлении сканиро¬
вания и на нее подано электрическое сме¬
щение таким образом, что скорость дрей¬
фа носителей заряда совпадает со скоро¬
стью сканирования По мере того как точ¬
ка изображения движется вдоль полоски
детектора, индуцируемые ею заряды дви¬
жутся синхронно, накапливаясь к концу
полоскиТаким образом, основным преимуще¬
ством СПРАЙТ-детектора является интег¬
рирование сигнала в фокальной плоскости
самим детектором, что снижает шумы
При последовательном считывании сигна¬
ла скорости сканирования СПРАЙТ и
214 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯодиночного приемника совпадают Одна¬
ко, если множество СПРАЙТ-детекторов
собраны параллельным образом, скорость
сканирования может быть уменьшена за
счег одновременного интегрированияДлинноволновые фотонные прием¬
ники ошического излучения, как правило,
требуют охлаждения до криогенных тем¬
ператур для того, чтобы снизить истоще¬
ние энергетических уровней за счет теп¬
лового возбуждения атомов примесей и
подавить излучение чувствительной пло¬
щадки самой на себя Поэтому первые
фотонные приемники устанавливали внут¬
ри сосуда Дьюара, заполняемого жидким
азотом с температурой 77 К В зависимо¬
сти от размеров и конструкции дьюаров,
жидкий азот требовалось доливать каждые2 8 часов (были предложены также схе¬
мы непрерывной подпитки хладоагенюм)
С целью избежать проблем, связанных с
жидким азогом, были разработаны микро¬
холодильники на основе эффекта Джоуля-
Томсона (микрохолодильник Стирлинга),
в которых использовалась замкнутая цир¬
куляция жидкого гелия Такие холодиль¬
ники применяла известная в 1980-90-х
годах американская фирма Inframetrics (в
настоящее время фирма FLIR Systems)
Наиболее практичными являются термо¬
электрические холодильники, однако дос¬
тигаемая с их помощью степень охлажде¬
ния ограничена температурами выше
190 КПостоянная времени фотонных при¬
емников оптического излучения находится
в пределах oi 10"11 с для сверхбыстрых
кремниевых детекторов до нескольких
миллисекунд для приемников на основе
PbS7.5.4. Фотоприемники на основе,
квантовых ловушек [96]. В последней
декаде прошлого века стали коммерчески
доступными приемники ИК-излучения,
использующие принцип так называемых
квантовых повугиек, или ям (quantum
well) В англоязычной литературе такие
приемники получили аббревиатуру QWIPЭнергияЗонапроводимости. AlGaAs
\©ФототокGaAs ^ ^XСвязанноесостояниеN©чРис. 7.8. Диаграмма рабо!ы "квип-
детектора” (QWIP) GaAs-AIGaAs
во внешнем электрическом поле:(поглощение ИК-фотонов переводит
электроны из основного состояния
в зону проводимости)(Quantum Well Infrared Photodetectors). R
"квип-де гекюрах” использован эффект
фотовозбуждения электронов (дырок) ме¬
жду основным и первым возбужденны^
состоянием в зоне проводимости (валент¬
ной зоне) квантовой ямы (рис 7 8) Cipyig
тура квантовой ловушки такова, что фо-
товозбужденные носители заряда могде
"выбираться" из нее и создавать электрик
ческий ток Например, в одном из первык
коммерческих матричных квип-детек-
горов была использована ловушка из GaAfc
высотой 45А и барьер из AlGaAs высоте!
500А (см рис 7 8) Основные состояния
электронов в квантовой ловушке создава¬
лись примесным кремнием (Si) Квиш
детекторы, использующие GaAs, позвсШ*
ют решетрировагь ИК-излучение с д№
ной волны более 6 мкмВ тепловизорах высокого уровня ста?
новятся все более популярными матри^
ные КВИП фотоприемники (см п 7 5.5).7.5.5. Матричные фотоприемникшМатричные фотоприемники (FPA), y#S;
навливаемые в фокальной плоскости oftr
ектива, состоят из множества чувстви¬
тельных элементов, расположенных lg
рядам и столбцам прямоугольной матри*
цы Чувствительные элементы не запоа;
няют всю площадь матрицы, поэтому
ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ215ЛИМ из важных параметров таких детекто¬
ров является коэффициент заполнения (fill
factoi) Чем выше коэффициент заполне¬
ния, тем качественнее изображение, осо¬
бенно при мониторинге температур, близ¬
ях к температуре окружающей среды, а
также при анализе слабых температурных
градиентов В лучших матрицах коэффи¬
циент заполнения можег достигать 90 %
Различают две технологии изготов¬
ления матричных фотоприемников моно¬
литную (monolithic) и гибридную (hybnd)
Монолитные матрицы дешевле и проще в
изготовлении, поскольку в них чувстви¬
тельные площадки и зоны передачи элек¬
трического сигнала расположены в под¬
ложке из одного материала, однако их
коэффициент заполнения не превышает
55 % В монолитных матрицах труднее
реализовать современные алгоритмы
встроенной обработки сигнала, например
переменное время интегрирования В гиб¬
ридных матрицах зона чувствительных
площадок и зона считывания сигналов
расположены в двух слоях, разделенных
индиевыми контактами, через которые
происходит мультиплексирование сигна¬
лов каждой площадки Такие фотоприем¬
ники обладают максимальным коэффици¬
ентом заполнения и обеспечивают наибо¬
лее высокое качество изображения с тем¬
пературным разрешением до 0,02 °СМультитексор является устройст¬
вом, которое организует и форматирует
электрические сигналы, генерируемые
отдельными чувствительными площадка¬
ми, а также передает эти сигналы на спе¬
циальный процессор С точки зрения связи
с процессором существует два типа уст¬
ройств приборы с зарядовой связью -
ПЗС (charge-coupled-device - CCD) и при¬
боры на комплементарных ме1алл-оксид-
ных полупроводниках - КМОП (comple¬
mentary metal-oxide semiconductors -
CMOS) В ПЗС детекторах сигнал каждой
чувствительной площадки создается элек¬
тронами, которые последовательно соби¬
раются в детекторе вплоть до последней
колонки, где суммарный сигнал считыва¬ется При этом возможна как потеря части
сигнала (charge-coupled transfer loss phe¬
nomenon), так и размытие изображения за
счет перегока избыточных электронов с
одной площадки на другую при визирова¬
нии объектов с чересчур высокой темпе¬
ратурой (blooming) Охлаждаемые ПЗС
детекторы являются более энергоемкими,
чем МОП-детекторы Они широко приме¬
няются в показывающих тепловизорах,
где вышеуказанные недостатки не явля¬
ются решающими В измерительных теп¬
ловизорах требуются специальные меры
учета потери сигнала и размытия изобра¬
жения КМОП-детекгоры требуют эффек¬
тивного охлаждения (до -200 °С), которое
достигают использованием миниатюрных
компрессоров Стирлиша, но обеспечива¬
ют наилучшие измерительные возможно¬
сти тепловизоровПоскольку фотонные ИК-дегекторы
являются счетчиками фотонов, важной
характеристикой приемников, в том числе
матричных, является их квантовый выход,
или квантовая эффективность (quantum
efficiency), которая характеризует способ¬
ность фогоприемника собирать кванты
электромагнитного излучения и преобра¬
зовывать их в электрический сигнал Ин¬
тересно отметить, что квантовая эффек¬
тивность одного из наиболее распростра¬
ненных материалов фотонных матриц -
силицида платины PtSi составляет менее
1 % В целом, детекторы с высокой кван¬
товой эффективностью обеспечивают
лучшее температурное разрешение и бо¬
лее высокое качество изображенияЕще одной характеристикой матрич¬
ных фотоприемников является время ин¬
тегрирования сигнала (integration time)
Во многих случаях оно составляет 16 мс,
что соответствует одному полному кадру
Матрицы с переменным временем интег¬
рирования позволяют собирать ИК-фо-
гоны в течение более коротких времен,
что обеспечивает регистрацию температур
до +450 °С Тепловизоры без переменного
времени интегрирования требуют введе¬
ния спектральных фильтров для регистра¬
216 I лава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯции температур в широком интервале
температур от -20 до +2000 °СОптика FPA-тепловизоров имеет
свою специфику Наиболее совершенной
являются объективы (reimagmg optics),
создающие две фокальные точки, в одной
из которых располагают матрицу, а во
второй размещают диафрагму поля зре¬
ния, которая предотвращает засветку от
мошных посторонних излучателей (off-
axis stray radiation) Обычные объективы
(non-reimagmg optics) создают только одну
фокальную точку и используются главным
образом в показывающих тепловизорах,
где засветка не искажает измерительные
способное 1 и устройстваОдной их неприятных особенностей
матричных фотоприемников является не¬
равномерная чувствительность от одной
площадки к другой Коррекцию (поп-
uniformity correction) осуществляют раз¬
личными способами 1) считывая гемпера-
туру крышки, размещаемой на объектив
(простейший способ), 2) периодически
размещая в оптическом пути внугри каме¬
ры объект с равномерной известной тем¬
пературой, которая служит для корректи¬
ровки сигналов в отдельных пикселях,1) осуществляя непрерывную коррекцию с
помощью встроенного микропроцессора
(наиболее мегрологичный способ)Другой проблемой тепловизоров,
трудно решаемой для FPA-детекторов,
является необходимость компенсировать
изменения температуры окружающей сре¬
ды Чаще всего эю осуществляют путем
размещения нескольких датчиков темпе¬
ратуры в критических точках оптической
головки тепловизоровНеохлаждаемые микроболометри-
ческие матрицы. Технология изготовле¬
ния болометрических FPA матриц, пред¬
ложенная относительно недавно, получила
быстрое признание, поскольку такие мат¬
рицы не требуют охлаждения и способны
работать при температуре окружающей
среды, позволяя создавать весьма прак¬
тичные тепловизоры Основные недостат¬
ки микроболометрических матриц болееЛ Л. Л.Рис. 7.9. Структура болометрической
матрицынизкая по сравнению с фотонными матри¬
цами чувствительность и метрологическая
стабильноеiьСхема неохлаждаемой болометриче¬
ской матрицы изображена на рис 7 9. Ка¬
ждый чувствительный элемент может реа¬
лизовать принцип резистивного, пиро¬
электрического или ферроэлектрического
детектора В резистивных элементах по¬
глощенное ИК-излучсние изменяет их
электрическое сопротивление, что регист»
рируется электронной схемой считывания
сигнала В пироэлектрических элементах,
при температурах ниже точки Кюри, из*
менение их температуры приводит к мо*
дуляции поверхностного электрического
заряда, тек появлению электрического
токаПироэлектрический эффект может
быть усилен наложением электрического
поля, что приводит к ферроэлектрическим
феноменам В современных матрицах
имеется поглощающий излучение слой,
выполненный в виде четвертьволновой
оптической полости толщиной около1 мкм Отдельные чувствительные пло¬
щадки теплоизолированы друг от друг*с
целью обеспечить максимальное про*
ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ217странственное и температурное разреше¬
ниеКак и в фогонных матрицах, исполь¬
зуют два типа архитектуры элементов
гибридную и монолитнуюВ гибридных матрицах детектор и
устройство считывания сигнала, выпол¬
ненное на основе кремниевой структуры,
изготовлены отдельно друг от друга и за¬
тем собраны вместеВ монолитных матрицах детектор
размещают над схемой считывания непо¬
средственно в процессе изготовления, что
обеспечивает лучшие детектирующие па¬
раметрыТипичная коммерческая болометри¬
ческая матрица состоит из 320 х 240 эле¬
ментов и обеспечивает гемперагурное
разрешение на уровне 100 мК (в лабора¬
торных системах досшгнуго разрешение
около 10 мК)Фотонные матрицы. Наиболее рас¬
пространенные типы фотонных матриц
выполнены на основе барьера Шотгки
(Shottky bamer), суперрешетках (super-
lattice), собственной проводимости (intrin¬
sic) и Z-планарнои (Z-plane) технологии
Матрицы на основе барьера Шотт-
ки. Данный тип детектора был предложен
Ф. Шепардом и А Янгом в 1973 г [97]В настоящее время многими компа¬
ниями разработаны матрицы размером до
512 х 512, большей частью использующие
силицид плагины PtSi Данный материал
работает в диапазоне 3 5 мкм, весьма
стабилен во времени и устойчив к повы¬
шенным температурам Несмотря на низ¬
кую квантовую эффективность (-1 %),
PtSi фотоприемники обеспечивают темпе¬
ратурное разрешение до 0,05 °С Силицид
галлия GaSi позволяет расширить спек¬
тральный диапазон до 8 16 мкмМатрицы на суперрешетках. В этих
фотоприемниках, к которым также отно¬
сят КВИП (QWIP) детекторы, переме¬
щающиеся слои различных полупровод¬
ников различной толщины позволяют из¬менять область спектральной чувстви¬
тельностиНаиболее перспективная технология
использует материал GaAs-GaAlAs, соз¬
данный в 1987 Длинноволновая граница
суперрешеток может изменяться о г 6 до11 мкм при обнаружительной способности
в диапазоне от 10,() до 10п см Гц,:/В1
(уровень охлаждения от 50 до 70 К) Об¬
ладая кванювой эффективностью от 5 до
10 % на длине волны 9,5 мкм, Э1и фого-
приемники обеспечивают весьма высокое
температурное разрешение (до 0,01 °С)По совокупности параметров мат¬
ричные КВИП-детекторы большого фор¬
мата позволили создать высокочувсчви-
1ельиые тепловизоры, работающие в
длинноволновом диапазонеМатрицы на полупроводниках с
собственной проводимостью. В этих
матрицах используют обычные фотоиро-
водящие и фотоэлектрические (фотоволь-
таические) детекторы Как и в случае су¬
перрешеток, наиболее перспективна гиб¬
ридная технология, которая предусматри¬
вает внедрение (приклеивание) чувстви¬
тельного элемента на кремниевую под¬
ложку чипа считывания электрического
сигналаРаспространены матрицы из HgCdTe
(размером до 256 у 256) и InSb (размером
до 640 х 512) Квантовая эффективность
приемников из fnSb достигает 80 90 %,
однако она не всегда реализуется вследст¬
вие переполнения квантовых ловушек
электронамиДругой проблемой этих приемников
оказалась их относительно невысокая ста¬
бильность во времени и при циклах охла¬
жденияZ-планарные матрицы. Данная тех¬
нология была предложена с целью допол¬
нить функцию обнаружения электромаг¬
нитного излучения рядом функций пред¬
варительной обработки сигнала Кремние¬
вые чипы размещают на гонкой керамиче¬
ской плате (толщиной 100 мкм), на боко¬
вой поверхности которой устанавливает
218 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯИК-детектор Такие платы собирают вме¬
сте, формируя магрицу В Z-планарных
детекторах можно осуществлять свергку
сигнала, дифференцирование и встроенное
аналого-цифровое преобразованиеСовременные матричные фотопри¬
емники характеризуются следующими па¬
раметрами• HgCdTe до 480 х 640 (размер
пикселя от 20 мкм до 1 мм), рабочая (oper¬
ating) температура Тор = 80 К,• PlSi до 1024 х 1024, Тор = 80 К,• InSb до 640 х 480, Тор =80 ККоммерческие матричные квип-фото-
приемники формата 320 х 256 и 640 х 486
работают при температуре 70 К и обеспе¬
чивают гемперагурное разрешение около
30 мК в диапазоне длин волн 8 12 мкмОписание и внешний вид некоторых
коммерческих ма гричных фот оприсмни-
ков показан на рис 7 10 (См цвегную
вкладку)7.5.6. Параметры ИК-приемников.Детекторы ИК-излучения являются слож¬
ными оптико-электронными устройства¬
ми, которые характеризуются большим
числом параметров, из которых основны¬
ми являются• удельная обнаружительная (детек¬
тирующая) способность (detectivity) Z)*,
см Гц1/2/Вт,• область спектральной чувстви¬
тельности, мкм,• интегральная, или вольтовая, чув¬
ствительность, определяющая амплитуду
электрического сигнала на выходе фото¬
приемника, В/Вт,• площадь чувствительного элемен¬
та Ad, см2,• инерционность, или постоянная
времени, сУдельная обнаружительная спо¬
собность. Удельная обнаружительная
способность является спектральной функ¬цией и служит важнейшим критерием ка¬
чества фотоприемников Ее определяют
следующим образомг? (ЛАЛ'12
NEP ’где NEP - мощность (поток), эквивалент*
ная шуму (Noise Equivalent Power-NEP);
Af - полоса частот, ГцСогласно ГОСТ 21934-83 величину
NEP называют порогом чувствительно¬
сти приемника излучения, выражают в
Вт, в англоязычной литературе эту вели¬
чину часто выражают в Вт/Гц172 При пра*вильной записи D* следует указывать
значение длины волны, частоту модуля¬
ции и полосы частот (единичной)D\X, fm,\) = D[(fm, 1)Коэффициент использования ПИ по
конкретному излучателю определяется
выражениемОСк(Т) = ^ , (7.4)огде s(k) = D^/ D*m - относительная спектральная чувствительность ПИ,D*m - максимальное по спектру зна*чение обнаружительной способностиПри проектировании тепловизоров
предложен аналог коэффициента исполь*
зования - коэффициент сравнения ПИ’*-|’'Н)Рг*А’ (7-s)окоторый позволяет сравнивать эффект*©;
ность ПИ при регистрации малых темпе*
ратурных перепадовВ СССР выпускалась весьма широка*
номенклатура приемников излучения, па**-
ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ219Относительная спектральная чувствительностьволны, мкмРис. 7.11. Спектральная чувствительность тепловизоров
с тремя различными приемниками излученияраметры которых можно найти в соответ¬
ствующей литературе [10, 98, 99]Спект рал ьная чувствительность.
Область спектральной чувствительности
тепловизоров определяется используемым
приемником ИК-излучения (см рис 7 6)Приборы, работающие в коротковол¬
новом диапазоне, например передающие
телевизионные трубки и ЭОПы, могут
рассматриваться в качестве тепловизоров,
измеряющих относительно высокие тем¬
пературы Тем не менее, термин "теплови¬
зор" обычно применяют к системам со
спектральной чувствительностью от 3 до
14 мкмИсторически коротковолновыми теп¬
ловизорами (short wave-SW) называли
такие, которые использовали приемники
на антимониде индия (3 5 мкм), тогда
как длинноволновые (long wave-LW) сис¬
темы в течение многих лет использовали
приемники на тройных соединениях
HgCdTe (7 14 мкм)На рис 7 11 изображена относитель-
®ая спектральная чувствительность трех
^пов современных тепловизоров, рабо¬тающих в различных спектральных диапа¬
зонахУстройства охлаэвдения приемника
излучения. Для того, чтобы ИК-приемник
не регистрировал преимущественно свое
собственное излучение, а также для сни¬
жения собственных шумов, чувствитель¬
ный элемент приемника должен быть ох¬
лажден Длительное время в качестве хла-
доагента применяли жидкий азот, сни¬
жающий температуру до -200 °С В зави¬
симости от объема сосуда Дьюара одной
заливки хватало на 2 8 ч, поэтому прове¬
дение ИК-съемки в течение рабочего дня
требовало от оператора носить с собой
сосуд Дьюара или, в лучшем случае, бы¬
товой термосС переходом на термоэлектрические
холодильники нужда в жидком азоте от¬
палаПоскольку термоэлектрические холо¬
дильники обеспечивают понижение тем¬
пературы только до -70 -90 °С, в ряде
моделей тепловизоров применен мини¬
атюрный компрессор (известный также
под названием "холодильник Стирлинга"),
220 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНО! О ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯкоторый охлаждает ИК-приемник до тем¬
пературы жидкого азотаПервый коммерческий тепловизор
серии Thermovision 500, в котором прием¬
ник излучения работал при комнатной
температуре, был выпущен фирмой
AGEMA Infrared Systems (ныне FLIR Sys¬
tems) В данном приборе был использован
FPA-детекюр болометрического типа
Необходимость учитывать влияние изме¬
няющейся температуры окружающей сре¬
ды потребовано специальных технических
решений, являющихся ноу-хау (know how)
фирм-производи гелей Использование
фотонных FPA-детекторов излучения по-
прежнему требует их охлаждения (при
этом достигают наилучшего температур¬
ного разрешения)7.6. ОПТИКА ТЕПЛОВИЗОРОВВо всех высококачественных тепло¬
визорах ИК-объектив является сложным
дорогостоящим узлом, включающим на¬
бор линз и зеркал, которые выполнены из
хрупких, дорогостоящих и требующих
прецизионной обработки материалов типа
кремния, германия и специальных ИК сте¬
кол7.6.1. Фокусное расстояние и коэф¬
фициент увеличения оптической систе¬
мы. Сложная оптическая система может
быть сведена к одиночной линзе, которая
характеризуе гея фокусным расстоянием
F = F' Такая линза создает изображение
У' объекта У (см рис 7 12) Смещения
У и У' от фокусных точек F и F' равны
соответственно X и X' Базовое уравне¬
ние тонкой линзы имеет видXX'^F1 (7 6)Коэффициент усиления равенY/Y’ = S/S\ (77)где S - расстояние между объектом и лин¬
зой, S’ - расстояние между изображением
объекта и линзойРис. 7.12. Построение изображения в
одиночной линзе7.6.2. Мгновенный угол зрения ц
поле зрения. Если У' - размер чувстви¬
тельной площадки фотоприемника, то ве¬
личину Y'/S'=Y/S называют мгновенным
угчом зрения (instantaneous field of view -
1FOV), который определяет пространст¬
венное разрешение системы (рис 7.13).
Сканирующие тепловизоры, использую¬
щие одиночный приемник, в любой мо¬
мент времени собирают излучение в пре¬
делах мгновенного угла зрения, который
непрерывно изменяет свое положение в
пространстве в ходе сканирования, фор¬
мируя тким образом поле зрения В мат¬
ричных тепловизорах поле зрения опреде¬
ляется размером матрицы, а мгновенный
угол зрения связан с отдельными прием¬
ными площадкамиУго! (поле) зрения (field of view -
FOV) оптической системы схематично
изображен на рис 7 13 Для наблюдения
удаленных предметов необходим длинно¬
фокусный узкоугольный объектив (ИК-
сьемка с борта вертолета, анализ элемен¬
тов линий злекгропередач и т п), тогда
как широкоугольная оптика удобна, еслиРис. 7.13. Угол зрения и
мгновенный угол трения
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВИЗОРОВ221UРис. 7.14. Щелевая функция чувствительностиобъект находится вплотную к оператору и
следует просматривать как можно
большую площадь (научные исследова¬
ния, строительство и энергетика) Фирмы-
производители поставляют тепловизоры
со сменной оптикой, которую заказываюi
в зависимости от предполагаемой области
применения В качестве компромиссного
варианта часто принимают 12-ти градус¬
ный обьекжв, который обеспечивает при¬
емлемое геометрическое разрешение в
большинстве практических задач Напри¬
мер, в тепловизорах фирмы FLIR Systems
часто используют пять объективов 2,5, 7,
12,20 и 40°В табл 7 4 приведены размеры зоны
контроля на расстоянии 10 м для различ¬
ных полей зрения Для расстояний иных,
нежели приведенных в табл 7 4, произво¬
дят простой пропорциональный пересчет
размеров зоны контроля например, поле
зрения 20° на расстоянии 100 м будет эк¬
вивалентно зоне размером 3,5(100/10) ■= 35 м7.4. Размер зоны контроля для
объективов с различным углом зренияОбъективРазмер поля зрения нарасстоянии 10 м, м7°1,212°2,11оо3,5оОТГj8,2Геометрически, оба параметра могу г
быть определены по обеим координатам
сканированияL,ГОУ^ 2arctg ,(7 8)2 H/. J.’2 H~ Hгде Lv - размер контролируемой зоны покоординате Y, определяемый полем зрения
тепловизора, lv - размер зоны, визируе¬
мой в пределах мгновенного угла зрения
(по координате У), как правило, LK Ф и7.6.3. Щелевая функция чувстви¬
тельности и модуляционная переда¬
точная функция. Пусть на расстоянии II
от детектора находится щель переменной
ширины d (рис 7 14) За щелью размещен
фоновый объект с температурой выше
температуры окружающей среды Оче¬
видно, что выходной сигнал ИК-детектора
(тепловизора) U зависит от ширины щели
d Функция U(d!H) называется щелевойфункцией чувствительности (slit response
function - SRF) Угловой размер щели при
50 %-м спаде сигнала, будет соответство¬
вать пространственному разрешению при
50 %-и модуляции При сравнении раз¬
личных оптических систем важен не
столько выбор уровня модуляции, сколько
обеспечение одинаковых условий сравне¬
ния различных тепловизоров При ширине
222 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯщели меньше мгновенного угла зрения
профиль сигнала соответствует импульс¬
ной реакции системы на линию, эта функ¬
ция называется функцией рассеяния линии
(ФРЛ) Модуль преобразования Фурье от
ФРЛ представляет собой модуляционную
передаточную функцию МПФ (modulation
transfer function - MTF), которая дает кон¬
траст изображения в функции пространст¬
венной частоты при исходном (на нулевой
частоте) контрасте, равном единице МПФ
также получают, измеряя контраст мир,
уменьшающийся с ростом пространствен¬
ной частоты Недостатком МПФ как кри¬
терия качества тепловизора является то,
что эта функция определяет ослабление
глубины модуляции безотносительно к
уровню шумов (см п 7 7)7.7. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ТЕПЛОВИЗОРОВ7.7.1. Формат и частота смены
изображений. Формат изображения в
матричных тепловизорах при правильно
подобранной оптике соответствует числу
отдельных элементов в матрице Напри¬
мер, если распространенный формат мик-
роболометрических матриц 320 х 240 со¬
ответствует полю зрения 24 х 18°, то мгно¬
венный угол зрения будет одним и тем же
по обеим координатам IFOV =24° 18°= = = 4,5' =■ 1,3 мрад Пространст-320 240 к F Fвенное разрешение в горизонтальном на¬
правлении составит 320 элементов на ка¬
ждую из 240 строкВ цифровом анализе изображений
вводят число пикселей, которое в общем
случае может быть больше, равно или
меньше соответствующего числа скани¬
руемых мгновенных углов зрения Напри¬
мер, строчный сигнал, определяемый
320-ю мгновенными углами зрения, может
быть оцифрован на 640 компьютерных
пикселей Однако такая операция будет
искусственной, и реальное пространст¬
венное разрешение будет по-прежнему
равно 320-ти различаемым элементам изо¬
браженияЧастота смены изображений f(frame rate) определяется полным време,
нем хле, в течение которого анализирую^
поле зрения Например, если выходной
сигнал каждого матричного элемента ска¬
нируют электронным образом в течение
1/30 с, соответствующая частота смены
изображений будет fft =1/тлс=30 Гц £оптико-механических тепловизорах пара!
метр jfr определяют аналогичным обра*.зом В ранних моделях тепловизоров
сканировали два поля зрения (черес*
строчная развертка - interlacing fields);
которые накладывали друг на друга,
формируя полный кадр Например, есл&
поле зрения, состоящее из 70 линий,
сканируется за 1/50 с, то полный кадр
будет состоять из 140 линий, сканируемых
за 1/25 с,те /^. = 25 ГцПоследовательности ИК-изображен
ний (термограмм) накапливают в аналогу
вой или цифровой форме Аналоговую
запись чаще всего выполняют в видео (те*
левизионном) формате, с использование^
стандартных видеомагнитофонов, к кокк
рым непосредственно подключают тепло*
визоры, имеющие PAL, NTSC или SECAK(
выход Согласование двух форматов (теп-
ловизионного и телевизионного) произв<^
дят с помощью встроенных буферных
процессоровЦифровую запись можно произвол
дить с любой скоростью, определяемой
типом тепловизора и скоростью аналого-
цифрового преобразования (АЦП) Запись
в реальном времени возможна, если АЦП
осуществляют за время, меньшее времен^
анализа одного мгновенного угла зренияСовременные компьютерные терма*
графические системы позволяют записы¬
вать весьма длинные последовательности
термограмм, число которых может
вышать несколько тысяч Запись осущест*
вляют либо с максимальной скоростью, 10
есть накапливая все термограммы, илй^
фиксированным (регулируемым) интерв^
лом, разделяющим две последовательный
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВИЗОРОВ223мограммы Например, последователь¬
ность из 300 изображений, записанная с
частотой 30 Гц, соответствует полному
времени наблюдения 300/30 = 10 с, при¬
чем интервал времени между соседними
термограммами равен 1/30 с Увеличение
лнтервала записи до 1 с приведет к удли¬
нению времени наблюдения до 300 с7.7.2. Температурное разрешение.
Эквивалентная шуму разность тем¬
ператур Эквивалентная шуму разность
температур (Noise Equivalent Temperature
Difference - NETD) является важной энер¬
гетической характеристикой тепловизо¬
ров, которую определяют как температур¬
ный сигнал ATNETD , эквивалентный уров¬
ню собственного шума фогоприемника
Пусть температуру поверхности некото¬
рой мишени Trej , рассматриваемой в ка¬
честве эталонного излучателя, поддержи¬
вают на постоянном уровне Тепловизор
является электронным прибором, выход¬
ной сигнал которого можно характеризо¬
вать как электрическими, так и темпера¬
турными единицами измерения Обычно
шум выражаки в терминах стандартногоотклонения температуры л/а Т2 Величи¬
ну NETD определяют как изменение тем¬
пературы ATNtlD , которому соответству¬
ет отношение сигнал/шум S, равное еди¬
нице: S = ATnetd /л/аТ2 = 1 (иногда
hTNETD принимают равным двум или
трем стандартным отклонениям)Величина NETD является типичной
паспортной характеристикой тепловизо¬
ров, приводимая в следующем виде
^netd = °С при температуре эталон¬
ного излучателя Ttej =30 °С Этот же па¬
раметр часто называют температурным
Разрешением (resolution) тепловизораАГ-Для оценки конкретных тепловизо-
Р°в рекомендована следующая формула
определения A TNETD [91]FN2JEfD*^Td —V дТ J (79)4 f24¥71 £>*£>27д7—S d d Tгде FN = F/D - показатель оптической
системы, F - фокусное расстояние систе¬
мы, D - эффективный диаметр оптической
системы, Af - полоса частот измеритель¬
ного тракта, D * - обнаружительная спо¬
собность фотоприемника, Ad -эффек¬
тивная площадь чувствительного эле-
dR! 1 dRмента, = „ ,Вт/(м2 К ср)-про-01 п 01изводная от функции Планка по темпера¬
туре (dR/dT), отнесенная к единичному
телесному углуНедостатком параметра ATNETD в ка¬
честве критерия сравнения тепловизоров
является то, что улучшение температурно¬
го разрешения за счет увеличения площа¬
ди чувствительного элемента Ad сопро¬
вождается ухудшением пространственно-
го разрешения IFOV = S4Y'= JaJ/Y'Формула (7 9) справедлива для слу¬
чая так называемого реального фотопри¬
емника, не ограниченного шумами фона
Шумы идеального приемника ограничены
только флуктуациями потока регистри¬
руемых фотонов В этом случае формулу
для предельной величины ATNErD можнонайти в [1]Минимальная разрешаемая раз¬
ность температур. Минимальную разре¬
шаемую разность температур ATMRTD(minimum resolvable temperature diffe¬
rence - MRTD) определяют по эталонному
излучателю (мире), образованному набо¬
ром полос определенных толщины и тем¬
пературы и рассматриваемому оператором
в течение неопределенного времени Та¬
ким образом, этот параметр отражает как
224 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯпространственное, так и температурное
разрешение тепловизора, но зависит от
способностей оператора, его мотивации,
влияния окружающей среды и тп Вели¬
чину ATMR1D обычно усредняют по не¬
скольким операторамВеличина ATmrtd прямо пропорцио¬
нальна ATnetd и обратно пропорциональ¬
на модуляционной передаточной функции,
определяя способность тепловизора раз¬
личать детали теплового изображения
Параметр ATMR1D более субъективен посравнению с параметром &TNETDДинамический диапазон сигнала.Динамический диапазон ДД электронно¬
го устройства характеризует диапазон ам¬
плитуд сигналов между максимальным
UmSLX и минимальным Umm значениями,которые передаются (анализируются) без
искажений Обычно ДД выражают в де¬
цибелахДО = 101ogU„и„(7 10)Например, если фотоприемник реги¬
стрирует тепловой поток в интервале от-110-6 до 10 * Вт, его ДД = \Q\og^—r=10-6= 10 5 = 50 дБ, т е составляет 5 поряд¬
ковВ тепловизорах используют 8-, 12-,
14- или 16-битовое представление сигна¬
ла, что соответствует разбиению динами¬
ческого диапазона на 28, 212, 214, 216 уров¬
ней и определяет минимальный различае¬
мый температурный сигналПр и мер. Пусть тепловизор измеря¬
ет температуру в диапазоне от -20 до
+1200 °С Для простоты можно принять,
что анализируемый электрический сигнал
пропорционален температуре, что, строго
говоря, неверно вследствие нелинейности
закона Планка Полный анализируемый
диапазон температур равен 1220 °С Вслучае 8-битного представления диапазон
сигналов будет разбит на 28 =256 уровне^
каждый из которых соответствует измене,
нию температуры 1220/256 = 4,77 °С. Тачл
кая глубина оцифровки недостаточна,
ли, например, детектор обеспечивает
вивалентную шуму разность температуп
0,1 °С Поэтому 8-битовое представление
сигнала не перекрывает указанного дина,
мического диапазона, и в таком тепловат
зоре понадобится ручная перестройка
диапазонов измеряемых температур Qjk
временные тепловизоры используют 12;
или 14-битную оцифровку сигнала,
позволяет анализировать большие дина^
мические диапазоны сигналов без потере
температурного разрешения и необходим
мости перестраивать установки тепловц,
зора Например, использование 14-би-
гового формата (214 = 16 384) в вышепри¬
веденном примере обеспечивает оцифров.
ку всего диапазона с шагом 1220/16 384 **-
= 0,074 °С7.8. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВИЗОРЫ7.8.1. Сканер. Вплоть до 1995 £
большинство измерительных тепловизо¬
ров использовали одноэлементный npit
емник ИК-излучения, который посреди
вом оптики в каждый данный момент вре*
мени был способен просматривать липй
часть сцены в весьма малом пространст¬
венном угле (мгновенном угле зрения),
Для развертки сцены применяли оптикО*
механическое строчно-кадровое сканиро¬
вание с помощью вращающихся зеркаль¬
ных или прозрачных призм, которые я
последнем случае выполняют из материал
лов, имеющих большой коэффициент яре*
ломления Кажущаяся простота принципа
сканирования, тем не менее, требовала
прецизионного исполнения оптико-меха¬
нических узловЭлектронное сканирование в течение
многих лет использовали в пироэлектрй-*
ческих тепловизорах, которые являлись Я?
измерительными, а показывающими при*
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВИЗОРЫ225gopaMH С развитием FPA технологии ве¬
ющие мировые фирмы перешли на вы-
луск приборов нового поколения, которые
по сути дела являются ИК телевизионны¬
ми камерами Фактически, последним
барьером, разделяющим "тепловизоры" и
телевизионные установки является мень¬
шее число элементов в измерительных
тепловизорах (во многих измерительных
тепловизорах использована FPA матрица,
состоящая из 320 х 240 элементов, что
эквивалентно принятому формату видео¬
записи) Следует отметить, что проблема
улучшения пространственного разреше¬
ния решается весьма быстро В настоящее
время уже имеются показывающие тепло¬
визоры высокого разрешения (до 1024 х
1024 элементов в кадре), а измерительные
тепловизоры начинают приближаться к
данному пределу7.8.2. Электронный блок. Особен¬
ности обработки электрического сигнала
на выходе ИК-приемника описаны в [1, 91,
98-101] В электронном блоке тепловизо¬
ров осуществляют ряд преобразований
сигнала в реальном времени, а также вы¬
водят его в форме, удобной для его визуа¬
лизации, чаще всего в телевизионном
стандарте NTSC, PAL или SEC AM, а так¬
же в виде цифрового 8-ми, 12-ти или 16-ти
битового сигнала В последних моделях
тепловизоров, наряду со стандартными
"медленными" каналами обмена цифровой
информации (RS 232), применяют "быст¬
рые" цифровые каналы типа "горячей ши¬
ны" IEEE-1394 (Fire Wire) При использо¬
вании нескольких тепловизоров в одной
сети сбор информации осуществляют по
протоколу R-45 EthernetМикропроцессорная обработка в ре¬
жиме on-lme, как правило, предназначена
Для поддержания метрологических харак¬
теристик тепловизоров на требуемом
Уровне, реже - для выполнения каких-
либо специфических процедур, из кото¬
рых наиболее распространено усреднение
по нескольким кадрам с целью снизить
белый" шум Например, если в теплови¬зоре с паспортным разрешением 0,1 °С
выбрать режим усреднения по 4-м кадрам,
то частота кадров уменьшится в 4 раза
(т е изображение быстро двигающихся
или быстроменяющихся объектов может
быть смазано), однако температурное раз¬
решение возрастет в ^4 = 2 раза (т е ста¬
нет равным 0,05 °С) Более глубокую об¬
работку тепловизионной информации, в
особенности при использовании быстро¬
действующих тепловизоров, обычно осу¬
ществляют не в реальном времени, а с по¬
мощью специальных компьютерных про¬
грамм, работающих в режиме off-lineПреобразование тепловизионного
формата в телевизионный формат произ¬
водят с целью облегчить стыковку тепло¬
визора со стандартным телевизионным
оборудованием В большинстве современ¬
ных тепловизоров имеется видеовыход,
что позволяет записывать термоизображе¬
ния с помощью видеомагнитофона и пока¬
зывать их на обычном телевизоре Сами
тепловизоры также снабжают черно¬
белыми или цветными мониторами Име¬
ются модели передающих тепловизион-
ных модулей, которые могут быть под¬
ключены к стандартным цифровым видео¬
камерам, при этом на мониторе видеока¬
меры наблюдают либо видимое, либо ИК-
изображение (модель тепловизора 2003 г
ThermoVision А20 фирмы FLIR Systems)
В тепловизоре ThermaCam Р60 той же
фирмы использован отсоединяющийся
цветной монитор, что позволяет произво¬
дить осмотр объектов в труднодоступных
местах7.8.3. Черно-белое и цветное пред¬
ставление термограмм. Цветное пред¬
ставление термограмм осуществляют пу¬
тем псевдоцветового кодирования темпе¬
ратуры, те одной и гой же температуре
по желанию оператора могут соответство¬
вать различные цвета В тепловизорах ис¬
пользуют различные цветовые палитры,
имеющие специфические названия Часто
используют палитру "Радуга" (Rainbow),
которая позволяет отобразить две близкие*-“607
226 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯтемпературы контрастными цветами Это
бывает необходимым для подчеркивания
слабых температурных перепадов Вместе
с тем, оператору зачастую бывает трудно
ориентироваться в разнообразно окрашен¬
ных областях, подчеркивающих относи¬
тельно слабые изменения температуры
Профессионалы применяют палитру "Ра¬
дуга" при демонстрационных показах теп¬
ловизоров, а для практической работы
предпочитают полутоновую "Серую" шка¬
лу (Gray) В последнее время стала
популярной палитра "Цвета каления"
(Iron), которая совмещает в себе преиму¬
щества черно-белого и цветного представ¬
ления изображений Следует отметить, что
в современных тепловизорах глубина
оцифровки (от 12 до 16 бит) перекрывает
весь динамический диапазон измерений,
например от -20 до +2000 °С, поэтому в
процессе работы не требуется перестраи¬
вать уровень сигнала В то же время ди¬
намический диапазон сигнала на мониторе
тепловизора значительно уже, чем глуби¬
на производимой оцифровки, что позволя¬
ет оценивать слабые температурные пере¬
пады визуально, но может приводить к
условному зашкаливанию температурных
сигналов7.8.4. Метрология тепловизоров и
дополнительные возможности пред¬
ставления информации. Высокие метро¬
логические показатели тепловизоров дос¬
тигают использованием встроенных эта¬
лонов температуры и датчиков температу¬
ры отдельных критических (нагреваю¬
щихся) узлов Специальные микропроцес¬
сорные системы сохраняют цифровые от¬
счеты температуры стабильными во вре¬
мени и независимыми (слабозависимыми)
от колебаний температуры окружающей
средыЗарубежные тепловизоры, постав¬
ляемые на российский рынок, помимо на¬
ционального (и/или европейского) серти¬
фиката, должны иметь сертификат Гос¬
стандарта РФ для использования в качест¬
ве средства измерения температуры Длябольшинства моделей тепловизоров заво*
дская аттестация действительна в течение
двух лет, после чего необходимо выпод;
нить их поверку Для этого использую*
аттестованные эталонные излучателе
Аналогичные сертификаты Госстандарт
РФ или других ведоме гв имеет ряд моде*
лей российских тепловизоровИзмерение температуры с помощь^
тепловизора производится оператором
либо непосредственно на экране монитору
путем размещения соответствующего
маркера, либо расставляя характерны{
точки объекта контроля на термограмме
при ее компьютерной обработке Anna*
ратным или программным способом во&
можно профильное представление темп£
ратуры вдоль выбранных направлений,}
также измерение статистических xapaiete*
ристик распределений температуры в о&
ластях прямоугольной или овальной фор.
мыСледует отметить, что в тонких фи?
зических экспериментах, где требуете!
высокое температурное разрешение, а изме*
рения проводят в течение длительного вр$*
мени, проблема стабильности температур¬
ных отсчетов полностью не решена даже
при использовании охлаждаемых детекто¬
ров излучения, а наибольшая нестабшш*
ность имеет место в случае неохлаждаё*
мых болометрических матриц7.8.5. Устройства записи и твердогй
копирования термограмм. Термограммы
регистрируют одним из следующих спо¬
собов• посредством стандартной видеоза¬
писи, в которой теряются абсолютные
температурные значения, (за исключение^
цифровой записи в некоторых ранних м<£
делях тепловизоров),• записью изображений на 3,5-ДЮ%
мовую дискету с сохранением всех тешФ
ратурных значений, обработку термо-
грамм производят на персональном КО#*
пьютере,
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВИЗОРЫ227• записью изображений на PCMCIA
fajm flash) карту, вставляемую в соответ¬
ствующий встроенный драйвер теплови¬
зора; затем термограммы обрабатывают на
компьютере типа "лэптоп", применение
обычных персональных компьютеров тре¬
бует специального интерфейса для чтения
информации с малогабаритных дисков
памяти (в последнее время широко ис-
пользуют USB порт),• записью изображений на жесткий
диск компьютера посредством специаль¬
ной интерфейсной системы, включающей
сам интерфейс и управляющую компью¬
терную программу,• непосредственной записью изобра¬
жений в реальном времени на быстродей¬
ствующий жесткий диск, приобретаемый
отдельно и являющийся дорогостоящим
устройством, примером такого тепловизо¬
ра является система Thermovision-900
(AGEMA Infrared Systems), которая ис¬
пользуется преимущественно в научных
исследованияхТвердые копии термограмм получа¬
ют:• фотографированием с экрана,• распечаткой с помощью видео¬
принтера,• распечаткой изображений, введен¬
ных в компьютер, с помощью лазерного
или струйного принтераКомпьютерные программы, постав¬
ляемые в комплекте с тепловизорами, по¬
мимо температурной калибровки и распе¬
чатки данных на стандартных принтерах,
позволяют формировать и печатать отчеты
по результатам ИК-съемки Программы
составлены таким образом, что они могут
применяться при диагностике различных
объектов в промышленности и медицине7.8.6. Источники питания. Теплови¬
зоры могут питаться от сети переменного
тока через специальный адаптер, а также
°т аккумуляторов, размещаемых на поясе
оператора или непосредственно в тепло¬
визоре. В ряде последних моделей исполь-
3Ук>т стандартные аккумуляторы, приме¬няемые в видеокамерах Время работы
тепловизора от заряженного аккумулятора
может достигать нескольких часов7.8.7. Программные средства для
термографического анализа и составле¬
ние отчетов. Программные средства
обеспечивают согласование тепловизора с
компьютером, стандартную или специали¬
зированную обработку изображений и
составление отчетов Например, фирма
AGEMA Infrared Systems (FLIR Systems)
каждое новое поколение тепловизоров
сопровождала соответствующим пакетом
программ, что позволяло пользователю
приобретать не только отдельно теплови¬
зор, но компьютерную термографическую
систему DIPS с ранними приборами 700-й
серии, систему TIC-8000 с программным
пакетом CATS для сканеров 700-й и 800-й
серии, систему BRUT для анализа изобра¬
жений в реальном времени с помощью
приборов 800-й версии, а также последние
пакеты IrWin различных версий, предна¬
значенные для работы с тепловизорами
400, 500, 600-й и других серий Кроме то¬
го, специально для выравнивания излуча-
тельной способности объекта контроля,
т е для повышения точности абсолютных
температурных измерений, фирма постав¬
ляла отдельную компьютерную програм¬
му EQUAL Эта программа применима,
главным образом, при испытаниях радио¬
электронной аппаратуры, поскольку тре¬
бует предварительного нагрева объекта до
фиксированной температурыКомпьютерные программы позволя¬
ют проводить анализ термограмм, в част¬
ности, изменять основные установки теп¬
ловизора (коэффициент излучения, диапа¬
зон измерения и тд), определять сред¬
нюю температуру в областях различной
формы, строить профили, изотермы, гис¬
тограммы и т п При составлении отчетов
возможно введение видимых изображе¬
ний, полученных с помощью видеокамеры
или электронного фотоаппарата (в модели
ThermaCam 695 фирмы FLIR Systems име¬
ется встроенная видеокамера, позволяю¬
228 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯщая записывать видеоизображение объек¬
та контроля практически в том же ракурсе,
что и основное ИК-изображение) Про¬
граммы дают возможность пользоваться
стандартными функциями среды Windows,
что делает их гибкими при написании и
редактировании всевозможных докумен¬
тов Последние версии позволяют рабо¬
тать сразу с несколькими изображениями
Из коммерческих программ, обладающих
развитыми возможностями анализа, сле¬
дует отметить программу ThermaCam Re¬
searcher фирмы FLIR Systems, которая
может обслуживать целый ряд моделей
тепловизоров данной фирмы Следует за¬
метить, что для российского потребителя
стоимость зарубежных компьютерных
программ представляется завышенной,
поэтому определенное распространение
получили доморощенные программы об¬
работки термограмм, в которых темпера¬
турные значения могут не сохраняться,
если формат кадра неизвестен В послед¬
них моделях западных тепловизоров от¬
крытие файлов исходных (raw) изображе¬
ний, в особенности с сохранением темпе¬
ратурных отсчетов, затруднительно, по¬
скольку фирмы изготовители используют
различные форматы записи, составляю¬
щие их ноу хау Например, тепловизоры
фирмы FUR Systems записывают изобра¬
жения в формате img, японская фирма
NEC использует свой формат svt, в то
время как в США приобретает популяр¬
ность публичный формат fts, описание
которого можно найти в Интернете По¬
следовательности термограмм могут быть
записаны в виде отдельных файлов, одна¬
ко в последние годы популярна запись
всей последовательности в один большой
файл, для разделения которого на отдель¬
ные термограммы необходима специали¬
зированная программаС линейно-сканирующими радиомет¬
рами, например, типа Thermoprofile фир¬
мы FLIR Systems, применяют специальные
программы обработки данных, которые
позволяют получать цветные термограм¬
мы движущихся или вращающихся объек¬
тов7.8.8. Аксессуары тепловизионньц
комплектов. В качестве аксессуаров теп*
ловизоров фирмы-производители постам
ляют сменные объективы, спектральные
фильтры (фильтр высоких температур ^
пламени, атмосферный фильтр, фильтр
углекислого газа, солнечный фильтр
длинноволновой фильтр и фильтр дд;
пластмасс), защитный чехол, предотвра,
щающий перегрев корпуса тепловизора
при работе в горячих помещениях, акку.
муляторы, зарядные устройства, комнью*
терные программы, устройство совмещу
ния видимого и ИК-изображений, порта*
тивные видеомагнитофоны, микрофон дц
записи речевых комментарий и т п.7.8.9. Классификация тепловизо»
ров. Согласно классификации по техниче¬
ским признакам тепловизионные системы
подразделяются на• системы с линейным обзором, или
впередсмотрящие (Forward-Looking Infra*
red Systems-FLIR), и системы с двухкоор*
динатным обзором (staring), или собствен¬
но тепловизоры,• оптико-механические (первое по¬
коление) и использующие матричные
(FPA) детекторы (второе поколение);• с охлаждаемым (с помощью жид-'
кого азота, микрохолодильника СтирлинпГ
или термоэлектрического микрохолодил^
ника) или неохлаждаемым приемников
ИК-излучения,• показывающие (imaging) или из¬
мерительные (radiometric),• стационарные, портативные ила
выполненные в виде специального кон
тейнера (gimbal), размещаемого под лета*
тельным аппаратом,• коротковолновые (short wave-SW)
и длинноволновые (long wave-LW).Г Капланом была предложена "комг
мерческая" классификация тепловизоров
по трем категориям, учитывающим техю£
ческие параметры, области применения:i
стоимостьК 1-й категории отнесены тепловизо¬
ры общего применения, используют^
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВИЗОРЫ229охлаждаемые FPA-приемники Типич¬
ным представителем этой категории явля¬
ется прибор Thermovision 695 фирмы FLIR
Systems (США) со следующими основны¬
ми параметрами•температурное разрешение (NETD)0,08 °С при 30 °С,• спектральный диапазон 7,5 13 мкм,• пространственное разрешение 1,3 мрад,• формат изображения 320 х 240
(микроболометрический FPA-приемник),• частота смены изображений 50/60 Гц
(в зависимости от частоты промышленной
сети).Ко 2-й категории отнесены теплови¬
зоры с охлаждаехмыми приемниками, на¬
пример из силицида платины (PtSi), рабо¬
тающие в средневолновом ИК-диапазоне
и предназначенные для измерения темпе¬
ратуры пластмасс, в печах и тп Типич¬
ный представитель - прибор ThermaCam
SC 1000 фирмы FLIR Systems (США) со
следующими параметрами•температурное разрешение (NETD)
0,07 °С при 30 °С,• спектральный диапазон 3,4 5 мкм,• пространственное разрешение 1,2 мрад,• формат изображения 256 х 256 (PtSi
FPA приемник),• частота смены изображений 50/60 Гц
Наконец, к 3-й категории отнесеныдлинноволновые высокоскоростные теп¬
ловизоры гибкой конфигурации, предна¬
значенные для научных исследований,
например, прибор ThermaCam SC 3000
фирмы FLIR Systems (США), обладающий
следующими основными параметрами
•температурное разрешение (NETD)
0,02 °С при 30 °С,•спектральный диапазон 8 9 мкм,
•пространственное разрешение 1,1 мрад,
•формат изображения 320 х 240
(GaAs QWIP FPA-приемник),• часто га смены изображений от
50/60 Гц до 750/900 ГцСовременные тепловизоры второго
поколения реализуют модульный принцип
построения и используют FPA-приемники(охлаждаемые или неохлаждаемые) При¬
мер ИК-тепловизионного модуля показан
на рис 7 15 (См цветную вкладку) Осна¬
щение такого модуля ИК-объективом и
телевизионным монитором превращает
его в показывающий тепловизор Введе¬
ние измерительной функции уже требует
значительных технических усилий, со¬
ставляющих предмет ноу-хау фирм-
изготовителей, в особенности это отно¬
сится к системам с неохлаждаемыми фо¬
топриемными матрицами7.8.10. Коммерческие тепловизорыОсновные технические характеристики
тепловизоров приведены в табл 7 5 От¬
метим, что ряд российских моделей, опи¬
санных в таблице, к настоящему времени
устарел, а многие выпускались в единич¬
ных экземплярахНиже рассмотрены типичные ком¬
мерческие модели (см рис 7 16 на цвет¬
ной вкладке) Фирмы-производители при¬
меняют гибкую ценовую политику, при
которой стоимость тепловизионных сис¬
тем зависит от их комплектации, в осо¬
бенности от типа объектива, наличия
фильтров, устройств записи и документи¬
рования термограмм, а также программно¬
го продуктаОриентировочно отпускная цена
фирм на базовые комплекты показываю¬
щих тепловизоров высокого уровня со¬
ставляет от 12 до 30 тыс долларов США,
измерительные приборы камкордерного
исполнения могут стоить 35 70 тыс
долларов, а стоимость специализирован¬
ных моделей, например устанавливаемых
на гироплатформах летательных аппара¬
тов, может превышать 150 тыс долларов
США На мировом рынке тепловизоры
одного класса, но выпускаемые различ¬
ными фирмами, имеют близкие цены, ко¬
лебания которых обычно связаны с раз¬
личным уровнем сервиса в стране, а также
с комплектацией системы всевозможными
аксессуарами
7.5. Технические параметры отечественных и зарубежных тепловизоров
(данные по состоянию на апрель 2003 г) *Модель, фирма, странаДиапазон измеряе¬Температур¬Спект¬Формат кадра иЧастотаРабочаяСистемаМас¬мых температурная чувстви¬ральныйбитность циф¬изобра¬темпера¬записиса, кгтельностьдиапазон,рового пред¬жений,тура, °Стермо¬мкмставленияГцграммОтечественные приборы (СНГ)БТВ-3, «Исток»-20 +200 °С0,15°СДВ100 строк в
растре16-Черезкомпь¬ютер20ТВ-04, Исток+10 +100°С0,15 °С3,5 5,5128 х1281/3-Черезкомпь¬ютер3Измерительный
тепловизор,
ТОО "Контар"Измерит прибор
+30 +400°С0,1 °С3 5---30+40--Радуга-4,АОМЗ, Украина25 +50°С0,2 °С140 х13225-Черезкомпь¬ютер-ТН-1, "Спектр"-30 . +300°С0,15 °С8 13
(пирови-
дикон)150 линий25--10,5TRI-9301,
МВП "Т-П-Т"-0,1 °С8 13175 х 2006-30+40-8,4(2блока)TRI-9400SL,
МВП "Т-П-Т"-20 +1500 °С0,1 °С8 . 12175x2006-30 .
+40-8,4(2блока)Метис-2, ГИПОПоказыв прибор-8 13---50 +60-11Сосна, "Метрон”Показыв. прибор
-20 ...+200°СОД °С3 ...548-ми эле¬
ментный
детектор25-20...+40-3,1230 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ
Продолжение табл 7 5Модель, фирма, странаДиапазон измеряе¬
мых температурТемператур¬
ная чувстви¬
тельностьСпект¬ральныйдиапазон,мкмФормат кадра и
битность циф¬
рового пред¬
ставленияЧастотаизобра¬жений,ГцРабочая
темпера¬
тура, °ССистемазаписитермо¬граммМас¬
са, кгИРТИС-200,"ИРТИС"-20 350°С0,05 °С3 5
8 12256 х 2561/1,5-10+45Черезкомпь¬ютер1,8(ка¬мера)ИСКРА,ГИПО-10 40 °С0,1 °С----31 тер¬
мо¬
грамма
в RAM-ТКВр-ИФП,ИФП+20. +41 °С
(медицин )0,03 °С2,9128 х128---5ТЕРМ,КТИПМСО РАН-0,03 °С2,8 . 3,5
(охл
жидким
азотом)128 х1281050--3,5"Сыч"(ОАО "Русэлектрони-
ка")Показыв прибород0,258 12Микробо¬лометрПироэлек¬трик--15+45Отсут¬ствует2,1-2,8
3,2-3,8МТ, Загорский опти-
ко-механический за¬
вод-0,1 °С3 5--±40Встроен¬ныймонитор2Инфраком-9201,
МНПП "Нейроком"Измерит прибор
-1 +200°С-8 12
(охлажд )100х1006-Дополни¬
тельно
необхо¬
дим ком¬
пьютер18(сканер,насадка,пита¬ние)СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВИЗОРЫ
Продолжение табл 75Модель, фирма, странаДиапазон измеряе¬
мых температурТемператур¬
ная чувстви¬
тельностьСпект¬ральныйдиапазон,мкмФормат кадра и
битность циф¬
рового пред¬
ставленияЧастотаизобра¬жений,ГцРабочая
темпера¬
тура, °ССистема
записи тер¬
мограммМас¬
са, кгИК-камера,"Орион"-0,05 °С3,8 5,6До 128 х 128
(охл жид¬
ким азотом)----ТН-4604МБ,
МНПО "Спектр"-0,15 °С8 13160 х120
(неохл )25--1,5ТН-4604МП,
МНПО "Спектр"Встроенный ИК
термометр0,15 °С8 . 13320 х 240
(неохл )25-Ввод в
компью¬
тер2,7Зарубежные приборы
ThermaCAM 545,
FLIR Systems, СШАПоказыв прибор
-20 +350°С0,1 °С7,5 13320 х 240
(неохл )50 (60)-15+50PCMCIкарта,8 бит, PAL1,9ThermaCAM 695,
FLIR Systems, СШАИзмерит прибор
-40 2000 °С0,1 °С7,5 13320 х 240
(неохл)50 (60)-15+50PCMCIкарта,14 бит PAL
Запись
звука1,9ThermaCAM SC 500,
FLIR Systems, СШАИзмерит прибор
длянаучн исслед
с подключением к
PC-20 +500
(+2000)0,1 °С7,5 . .13320 х 24050 (60)-15+50IPCMCI
карта, 14
бит цифро¬
вой, 8-бит
Bitmap
Видеовыход
PAL
Запись
звука2,6232 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ
Продолжение табл. 7.5Модель, фирма, странаДиапазон измеряе¬
мых температурТемператур¬
ная чувстви¬
тельностьСпект¬ральныйдиапазон,мкмФормат кадра и
битность циф¬
рового пред¬
ставленияЧастота
изображ
ений, Гц, Рабочая 1
темпера¬
тура, °ССистема записи
термограммМа¬сса,кгThermaCAM SC 1000,
FLIR Systems, СШАИзмерит прибор
длянаучн исслед
с подключением к
РС или независи¬
мо-20. +450
(+2000) °С0,07 °С3,4 5320 х 24050 (60)-15+50PCMCI карта,
14 бит цифро¬
вой, 8-бит
Bitmap
Видеовыход
PAL
Запись звука2,7ThermaCAM SC 2000,
FLIR Systems, СШАИзмерит прибор для
научн исслед с
подключением к РС
или независимо
-20 .+500
(+2000) °С0,1 °С7,5 13320 х 24050 (60)-15+50PCMCI карта,
14 бит цифро¬
вой, 8-бит
Bitmap
Видеовыход
PAL
Запись звука2,7ThermaCAM SC 3000,
FLIR Systems, СШАИзмерит прибор для
научных исслед
-20 +2000 °С0,02 °С8 9
GaAs
QWIP320 х 24050 (60)-15+50PCMCI карта
14 бит PAL
Запись звука3,2ThermaCAM PM 390,
FLIR Systems, СШАИзмерит прибор
-10 +2000
(2000) °С0,07 °С3,4 5
PtSi
FPA256 х 25650 (60)-15+50PCMCI карта
12 бит PAL1,7ThermaCAM E2,
FLIR Systems, СШАИзмерит прибор
-20 +250°С0,12 °С7,5 13160 х 120
(неохл )50 (60)-15+45Запись до
50 изобра¬
жений
JPEG на
внутр диск0,7СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВИЗОРЫ 233
Продолжение табл 75Модель, фирма, странаДиапазон измеряе¬
мых температурТемператур¬
ная чувстви¬
тельностьСпект¬ральныйдиапазон,мкмФормат кадра и
битность циф¬
рового пред¬
ставленияЧастотаизобра¬жений,ГцРабочая
темпера¬
тура, °ССистема
записи тер¬
мограммМас¬
са, кгThermaCAM Р60,
FLIR Systems, СШАИзмерит прибор
-40 2000 °С0,06 °С7,513320 х 240
(неохл )NTSC,PAL-15+45Флэш-
карта,
128 Мб2Thermovision IRMV
320М,FLIR Systems, СШАПоказыв прибор
для наблюдения в
неблагоприятных
условиях
-20 +500 (2000) °С0,17,513320 х 24050 (60)-15+50Видеовы¬
ход PAL3,0ThermoVision A20-V,
FLIR Systems, СШАМодуль пока¬
зыв тепловизора
-20 +900 °С0,12-160х12050 (60)-Видеовы¬
ход PAL0,8ThermoVision A20-M,
FLIR Systems, СШАМодуль изме¬
рит тепловизора
-20 +900 °С0,12-160 х12050 (60)-Видеовы¬
ход PAL
IEEE-1394
FireWire
RJ-450,8ThermoView Ti30,
Raytek, СШАИзмерит прибор
0 +250 °С0,25 °С714160х12020-10+50Флэш-карта.
100 изобр1IRRIS-256ST,
Cincinnati Electronics,
СШАПоказыв прибор
-20 +300°С0,025 °С2,2.4,6Охл мозаичн
детектор
(Стирлинг)
256 х 256--12 бит,
TTL3,5Sentinel, Amber,
СШАПоказыв. прибор
-20../+150 °С0,01 °С8... 12320 х 24030-20...+45NTSC,
PAL j-234 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ
Продолжение табл. 7.5Модель, фирма, странаДиапазон измеряе¬
мых температурТемператур¬
ная чувстви¬
тельностьСпект¬ральныйдиапазон,мкмФормат кадра и
битность циф¬
рового пред¬
ставленияЧастотаизобра¬жений,ГцРабочая 1
1 темпера¬
тура, °ССистема записи
| термограммМас¬
са, кгJade II,CEDIP, ФранцияИзмерит
прибор до +1200 °С0,02 0,1 °С8 .14
3 5320 х 240
(неохл )150-Вывод на
PC2TVS-120, Nippon
Avionics, ЯпонияИзмерит
прибор
-10 +950°С0,2 °С3 5,4Неохл мо-
заичн де¬
тектор
320 х 240,
12 бит10-PAL
RS-232
Запись на
3,5” флоппи3,8TVS-620,Nippon Avionics,
ЯпонияИзмерит
прибор
-20 +900°С0,1 °С8 14320 х 240
12 бит300 +40PAL, NTSC,
RS-2326
Флоппи-
диск2TVS-2000MKIILW,
Nippon Avionics,
ЯпонияПоказыв тепло-
виз сканер0,1 °С8 12320 х 240
12 бит300 +40Видеовы¬
ход PAL,
NTSC,
RS-232
PCMCI карта2,3IR-M700,Mitsubishi Electronics,
ЯпонияПоказыв прибор0,08 °С1,2 5,9Охл моза¬
ичный
детектор
801х51260-10+50Видеовы¬
ход NTSC,
RS-232,
10 бит4,9(ка¬мера)LAIRD-3ASH,
Nikon, ЯпонияПоказыв прибор
-20 +2000 °С0,09 0,15 °С3 . 5768 х 49430-NTSC
RS-232
Запись на
компьютер2,5LAIRD-S270,
Nikon, ЯпонияПоказыв прибор
-20 +2000 °С0,2 °С3 5475 х 42230-Видеовы¬
ход RS-422,
10 бит2,5СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВИЗОРЫ 235
Продолжение табл 75Модель, фирма, странаДиапазон измеряе¬
мых температурТемператур¬
ная чувстви¬
тельностьСпект¬ральныйдиапазон,мкмФормат кадра и
битность циф¬
рового пред¬
ставленияЧастотаизобра¬жений,ГцРабочая
темпера¬
тура, °ССистема
записи тер¬
мограммМас¬
са, кгIRC640,David Samoff Re¬
search Center, СШАПоказыв прибор0,15 °СPtSi640 х 480
(охл жид¬
ким азотом)30-RS-170,
12 битMikroScan-5104,
Mikron, США
NEC, ЯпонияИзмерит прибор
-10 +1500°С0,1 °С35,2255 х 2232, 22-10+50PCMCIкарта2,5MikroScan-7200,
Mikron, США
NEC, ЯпонияИзмерит прибор
-40 +2000°С0,1 °С814320 х 240
(неохл )30-PCMCIкарта1,8MikroScan-7515,
Mikron, США
NEC, ЯпонияИзмерит прибор
-40 +500°С0,08 °С814320 х 240
(неохл )30, 60-15+50PCMCI
карта,
16 Мб-ExplorIR,
Raytheon, СШАИзмерит прибор
-20 +900°С0,15 °С814320 х 240
(неохл )300 +40RS-232
PCMCI
карта
10 Мб2,9PalmIR 225 Digital,
Raytheon, СШАПоказыв прибор-714160 х120
(неохл)30, 25-20+49-1,2PalmIR 250 Digital,
Raytheon, СШАПоказыв прибор,
интервал отн окр
среды 500 °С0,1 °с714Неохл мо¬
заичный
детектор
320 х 24030(NTSC)25(PAL)-20+49-1,8Series 300, Raytheon,
США(последняя версия
ControlIR 300D)ИК-видеокамера0,08 °С7. 14Неохл мо¬
заичный
детектор
320 х 24030-20 ...+49Видеовы¬ходRS-2320,68236 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ
Продолжение табл. 7.5Модель, фирма, странаДиапазон измеряемых
температурТемпера¬турнаячувстви¬тельностьСпект¬ральныйдиапазон,мкмФормат кадра и
битность цифро¬
вого представле¬
нияЧастота 1
изобра¬
жений,
ГцРабочая
темпера¬
тура, °ССистема 1
записи тер¬
мограммМас¬
са, кгPro 400 Digital, Ray¬
theon, СШАПоказыв прибор0,1 °С7 14320 х 240
(неохл )50, 600 +40Запись на
флэш-
карту
16 Мб2,3ProtectlR 400, Ray¬
theon, СШАПоказыв прибор-7 14160 х120
(неохл )50, 60-40 .+55-4,5Radiometric 500 Digi¬
tal, Raytheon, СШАИзмерит прибор0,1 °С7 14320 х 240
(неохл)50, 600+40Запись на
флэш-карту
16 Мб2,3Galileo,Amber Raytheon,
СШАИзмерит прибор0,025 °С3 5Охл FPA
детектор
256 х 2561400
(при 64
х 64)0+5012 бит4,5IRC640L,David Samoff
Research Center, СШАПоказыв прибор0,15 °С-640 х 480
(охл жидким
азотом или
Стирлинг)--Видеовы¬ходNTSC,RS-232-IRH32043,
David Samoff
Research Center,
СШАПоказыв камера и
блок питания0,08 °С-320 х 244
PtSi (жидкий
азот)30-Видеовы¬
ход
NTSC, RS-
170А ви¬
део-FireOptic,
ICC, СШАПоказыв прибор
(пожарн )-20 +60 °С--Неохл моза¬
ичный детек¬
тор 320 х 240----SAT-GM18,
Guangzhou Sat Infra¬
red technology, КитайПоказывающий
прибор, интервал отн
окр среды+1000 °С0,25 °С8 14Неохл моза¬
ичный детек¬
тор--2,5СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВИЗОРЫ 237
Продолжение табл 75Модель, фирма, странаДиапазон измеряе¬
мых температурТемператур¬
ная чувстви¬
тельностьСпект¬ральныйдиапазон,мкмФормат кадра и
битность циф¬
рового пред¬
ставленияЧастота
изображ
ений, ГцРабочая
темпера¬
тура, °ССистема
записи тер¬
мограммМас¬
са, кгSAT-HY6800,
Guangzhou Sat Infra¬
red Technology, КитайИзмерит прибор
-10 +20000,08 °С814320 х 240
(неохл )50--2,5Ir913,Wuhan Guide Elec¬
tronic Industrial Co,
КитайИзмерит прибор
-20 +15000,06 °С814Неохл мо¬
заичный
детектор
320 х 24050-PCMCIкарта-ImageIR LC, Santa
Barbara Focalplane,
СШАПоказывприбор0,02 °С35Охл моза¬
ичный де¬
тектор
256 х 25650/60-RS 170,
14 бит-DI-9800,Digital Imaging Infra¬
red, СШАПоказывприбор0,05 °СПо выбо¬
руМозаичный
детектор
320 х 240
различного
типа-0 +70Моно¬хромноеRS-2321,8DI-3500,Digital Imaging Infra¬
red, СШАПоказывприбор0,06 °С35Охл моза¬
ичный
детектор
320 х 256
InSb--20+5512 бит2,6цСАМ,AEG Infrarot-Module,
ГерманияПоказывприбор0,1 °С3,25Охл мозаич
256 х 256
PtSi Стирлинг-'Видеовы¬ход8-битцифровой1,7238 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ
Продолжение табл. 7.5Модель, фирма, странаДиапазон измеряе¬
мых температурТемператур¬
ная чувстви¬
тельностьСпект¬ральныйдиапазон,мкмФормат кадра и
битность циф¬
рового пред¬
ставленияЧастотаизобра¬жений,ГцРабочая
темпера¬
тура, °ССистема
записи тер¬
мограммМас¬
са, кгAEG Infrarot-Module,
ГерманияПоказывприбор0,01 °С810256 х 256
OWIP200---VARIOSCAN-3011,
Jenoptik Laser Optik
Systeme GmbH, Гер¬
манияИзмерит
-40 +1200 °С0,03 °С812300 х 200
HgCdTe,
жидкий
азот0,8, 0,2,
0,4-10+40Флэш-карта5VanoTHERM, Jenop¬
tik Laser Optik Sys¬
teme GmbH, ГерманияИзмерит
-25 -1-1200 °С0,1 °С3,45256 х 256
PtSi,
Стирлинг50-10+50PCMCI3,9Leopard, NVT (Night
Vision Technology
Corp), СШАИзмерит
прибор
-20 +400 °С0,08 °С812320 х 240300+40LCD дис¬
плей
PCMCI2Thermosensonk Sys¬
tem CMT 384M,
Thermosensonk,
Германия-0,015 °С3,45,2384 х 288130-14-битцифровойвыход-Lynx, NVT (Night
Vision Technology
Corp), СШАПоказыв стацио¬
нарный0,08 °С812320 х 240300+40LCD дис¬
плей
PCMCI2Merlin (неохл),
Indigo Systems,
СШАПоказыв прибор
0 +70 °С или
0 +600 °С0,6 °С813Неохл моза¬
ичный детек¬
тор
320 х 240NTSC,PAL-12 бит1,8UMFLIR,
Boeing, СШАПоказывприбор0,1 °С8 ,. 12Неохл мо¬
заичный
детектор
320 х 240PAL-30+54Видеовы¬
ход PAL,
12 бит3,5СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВИЗОРЫ
Окончание табл 7 5Модель, фирма, странаДиапазон измеряе¬
мых температурТемператур¬
ная чувстви¬
тельностьСпект¬ральныйдиапазон,мкмФормат кадра и
битность циф¬
рового пред¬
ставленияЧастота
изображ¬
ений. ГцРабочая
темпера¬
тура, °ССистема
записи тер¬
мограммМас¬
са, кгAlpha,Indigo Systems,
СШАПоказывприбор-7,513,5160х12825(CCIR)30(RS170А)0+45Монохромный
RS-170 фор¬
мат
12-бит цифро¬
вой выход0,2Omega,Indigo Systems,
СШАПоказыв
прибор с интерва¬
лом до 500 °С0,085 °С7,513,5160 х12825(CCIR)30(RS170А)0+40Монохромный
RS-170 фор-
маг
14-бит цифро¬
вой выход0,12Phoenix, Indigo Sys¬
tems, США--35320 х 256до 1000---VisIR Ti 100, Ti 200
Indigo Systems and
Thermotekmx Systems,
СШАИзмерит
прибор
-50 +500 °С0,085 °С7,513160 х120
(неохл )30-14 бит
PCMCI
карта1,6MicroIR LTC550,
BAE Systems, СШАПоказывприбор0,1 °С814320 х 240
(неохл )60-20+50Видеовы¬ход,RS170,RS4222,5IR Snapshot.
ISI, СШАИзмерит прибор
фотографич типа
-30 +600 °С0,1 °С812120 х1201/1.50 +50RS232<2DVE.AlliedSignal
Aerospatial, CanadaПоказыв прибор
дляночн вожд0,05812320 х 240
(неохл )Видео¬выход-40+50RS-170
или CCIR-♦Приведены по возможности наиболее представительные модели отдельных серий (использованы материалы выставки "АэроСенс-2003 ",
Орландо, США). Данные таблицы не носят рекламного или рекомендательного характера и не отражают предпочтений автора 240 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВИЗОРЫ241По мере удешевления матричных фо-
ефектов возникла тенденция к созда-
простых измерительных тепловизи-
Й «о стоимостью около 15 гыс долларовСШАСпециализированный показываю¬
щий тепловизор DVE-1000. В 1998 г
меЖДУ фирмой Geneial Motors и Raytheon
было заключено соглашение об оснаще¬
ний транспортных средств показывающи¬
ми тепловизорами для ночного вождения
В последние годы фирма Digital Imaging
Infrared разработала тепловизор DVE-1000
стоимостью около 6 тыс долларов США
для установки на легковом автомобиле
(рис 7 16, а) В качестве детектора излу¬
чения применена длинноволновая ферро-
электрическая матрица 320 х 240, вес ка¬
меры 1,5 кгПоказывающий тепловизор PalmIR
Pro. Малогабаритная камера PalmIR Pro
фирмы Raytheon является типичным пред¬
ставителем показывающих тепловизоров,
предназначенных для использования в
качестве приборов ночного видения и для
технической диагностики (рис 7 16, б)
Использована длинноволновая матрица
320 х 240 и 2,5-дюймовый цветной мони¬
тор, запись изображений производят на
PCMCI карту емкостью до 8 Мб (до 60
изображений), вес тепловизора 1,8 кгИзмерительный тепловизор Ther-
maCAM 695. Данный прибор является
логическим завершением 500-й серии не-
охлаждаемых FPA измерительных тепло¬
визоров, разработанных фирмой FLIR Sys¬
tems, США (рис 7 16, в) Использована
стандартная неохлаждаемая матрица 320 х
240, 12-битовую цифровую запись произ¬
водят на PCMCI карту емкостью до
170 Мб Прибор снабжен цветным мони¬
тором Основная область применений -
техническая диагностика в промышленно¬
сти.Измерительный тепловизор Gali¬
leo. ИК-1епловизор Galileo (рис 7 16, г)
фирмы Amber Raytheon (США) был одним
из первых приборов с высокой частотойсмены кадров 1400 Гц (в Европе анало¬
гичные системы поставляет французская
фирма CEDIP) Использован охлаждаемый
микрокомпрессором Стирлинга FPA де¬
тектор из антимонида индияИзмерительный тепловизор Ther-
maCam Е2. Самый малогабаритный изме¬
рительный тепловизор (новинка 2002 г
рис 7 16, д) Отсутствие видоискателя
компенсируется наличием лазерного целе-
указателя При стоимости около 25 тыс
долларов США данный прибор содержит
все основные опции более дорогостоящих
систем Рекомендуемыми областями его
применения являются электротехника и
техническая диагностика промышленных
установокИзмерительный тепловизор Ther¬
mo View Ti30 является новинкой
2004 г фирмы Raytek (США), которая спе¬
циализируется на ИК-термометрах Стои¬
мость около 15 тыс долларов США Теп¬
ловизор может с успехом применяться в
энергетикеИзмерительный тепловизор Ther-
maCam Р60. Данный прибор фирмы FLIR
Systems также появился на рынке в 2002 г
(рис 7 16, е) Особенностью тепловизора
является отсоединяемый дисплей, лазер¬
ный целеуказатель и дистанционная сис¬
тема управления, что позволяет размещать
прибор в труднодоступных местахТепловизор ТН-4604МП. В порта¬
тивном тепповизоре МНПО "Спектр"
(Россия, рис 7 16, ж) реализована попыт¬
ка объединить опыт разработки неохлаж-
даемых пировидиконных тепловизоров с
современными неохлаждаемыми матри¬
цами фотодетекторов Возможно измере¬
ние температуры в зоне с использованием
встроенного ИК-термометраТепловизор ИРТИС 200. Данный теп¬
ловизор (последняя версия ИРТИС 2000)
является одним из немногих отечествен¬
ных приборов последних пет, выпускаю¬
щихся в заметных количествах (разработ¬
ка фирмы "ИРТИС", Россия, рис 7 16, j)
Основные особенности тепловизора ИР-
242 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯТИС 200 1) высокая температурная чув¬
ствительность и хорошее пространствен¬
ное разрешение в результате малой ско¬
рости сканирования и применения фото¬
приемника, охлаждаемого жидким азотом,
2) двухблочная конструкция, включающая
оптическую головку и компьютер типа
лэптоп Наибольшее применение прибор
находит в энергетике7.8.11. Выбор тепловизора. Ввиду
того, что тепловизор является универсаль¬
ным прибором для температурных изме¬
рений и анализа тепловых полей, потреби¬
тель может испытывать сильное искуше¬
ние применить его для решения макси¬
мального числа измерительных и диагно¬
стических задач Тем не менее, при покуп¬
ке тепловизора следует четко представ¬
лять основные области его будущих при¬
менений, что в сочетании с финансовыми
возможностями пользователя позволит
оптимизировать состав тепловизионного
комплекта Так, применение тепловизора в
качестве "дальнобойного" и высокочувст¬
вительного прибора ночного видения не¬
возможно без длиннофокусной оптики, но
зачастую не требует измерения температу¬
ры Простым прибором тепловизионного
наблюдения является модель PalmIR-225
фирмы Raytheon, наилучшим прибором в
данной области применения будет тепло¬
визор ThermaCAM 1000 той же фирмы,
который может быть установлен на гиро¬
платформе летательного аппарата В во¬
енных областях рекомендуется применять
показывающие тепловизоры фирм FLIR
Systems и Raytheon Для ИК-диагностики в
энергетике оптимальным прибором может
быть прибор ThermaCAM Е2 или Thermo
View Ti30 Для многих применений важно
наличие фильтров, которые позволяют
снизить помехи от отраженного солнечно¬
го излучения или повысить точность из¬
мерений температуры ряда специфических
объектов, таких как стекло, пластмассы,
горячий газ и 1 п Многие промышленные
применения требуют использования пор¬
тативного тепловизора с автономным пи¬
танием, в го время как для медицинскойдиагностики важна высокая чувствитедь,
ность и развитая компьютерная обработка
а сам тепловизор может быть стационар!
ным и питаться от адаптера переменно^
тока Наконец, для научных исследований
оптимальной будет модель ThermaCAjj
SC 3000, а также целый ряд прибор^
фирм CEDIP, Santa Barbara Focal Plaj^
Array которые обеспечивают запись
ных последовательностей ИК-изображе^
ний в реальном времени7.8.12. ИК-системы визуализации
утечек газа. Помимо собственно теплови¬
зоров, разработаны визуализирующие ИК
системы, которые используют эффект из¬
бирательного поглощения ИК-излучения
газами в узких спектральных интервалах,
поэтому использование соответствующего
спектрального фильтра позволяет фикси*
ровать наличие этого газа в облаке утечки.
ИК-устройства обнаружения утечек бы¬
вают пассивного и активного типов (cut
главу 9) Введение активной лазерной
подсветки на длине волны поглощения
целесообразно потому, что в пассивном
режиме мощность собственного излучения
тел в узких спектральных интервалах мала
и необходимы специальные спектромет-
рические системы высокой чувствитель¬
ностиПримером визуализирующих ИК-
систем пассивного типа являются спек¬
трометры серии 1MSS фирмы Pacific Ad¬
vanced Technology - PAT (США), исполь¬
зующие дисперсионные хроматические
свойства дифракционных оптических эле¬
ментов Приборы работают как в средне-г
так и в длинноволновом ИК-диапазоне.
Внешний вид и параметры модели IMSS-
М1 приведены на рис 7 17 (См цветную
вкладку)Активные тепловизионные ИК сис¬
темы с лазерной подсветкой (лазер СО;)
разрабатывались фирмой Inframetrics (ны*
не FLIR Systems) Модель Gas Vue TG-5
предназначена для использования в тех¬
нологических линиях для контроля тепло¬
обменников, насосов, цистерн и герметич¬
ных сосудов В объект контроля вводят
ЛИНЕЙНЫЕ ИК-СКАНЕРЫ243дробный газ SF6 и регистрируют поле от¬
менного лазерного излучения на рас¬
стоянии до 5 м Минимальная обнаружи¬
ваемая утечка 50 г/год Система является
портативной и состоит из трех блоков
лазерно-тепловизионной головки, блока
питания с устройством охлаждения и кон¬
соли. Модель MG-30 предназначена для
обнаружения утечек основных продуктов
из цистерн, трубопроводов, резервуаров и
т.п На расстоянии до 30 м данный прибор
может различать до 77 различных газов, из
которых 5 газов выбраны для стандартной
калибровки Облако утечки видно на эк¬
ране тепловизионного монитора в виде
темной зоны, соответствующей повышен¬
ному поглощению отраженного от объекта
лазерного излучения Минимальная обна¬
руживаемая утечка газа 1 кг/год7.9. ЛИНЕЙНЫЕ ИК-СКАНЕРЫЛинейные, или строчно-сканиру-
ющие, ИК-системы по технической слож¬
ности и стоимости занимают промежуточ¬ное положение между тепловизорами и
ИК-термометрами Термин "сканирую¬
щие" применяется к этим системам, по¬
скольку в течение нескольких десятилетий
развертку пространства в них осуществля¬
ли оптико-механическим способом В со¬
временных моделях все чаще применяют
линейные многоэлементные фотоприем¬
ники (матрицы), что предельно упрощает
схему приборовЛинейные ИК-системы можно разде¬
лить на две большие группы 1) приборы,
устанавливаемые на летательных аппара¬
тах (самолетах, космических станциях), и2) приборы промышленного применения
Сканеры первого типа обладают ма¬
лым углом зрения, и их система развертки
привязана к высоте Н и скорости полета F,
точнее к величине V/H, для того, чтобы
обеспечить плотную укладку строк скани¬
рования (рис 7 18, а) При чрезмерно
большой величине VIH будет происходить
пропуск участков исследуемой повсрхно-а)Рис. 7.18. Линейные ИК-сканеры, устанавливаемые
на ле!ательных аппаратах:а - схема ИК-аэросъемки подстилающей поверхности, б - бортовой ИК-сканер
с оптико-механической разверткой
244 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ7.6. ИК-системы с линейной (строчной) разверткойМодель, фирма,ДиапазонТемпера¬Спект¬Частота строкМасса, кгстранаизмеряемыхтурнаяральный(Гц) и/илитемпературчувстви¬диапа¬формат кадра,тельностьзон, мкмугол зренияСистемы, устанавливаемые на летательных аппаратах (гиростабилизированные)Thermovision
1000/Argus 350,
FLIR Systems,
США-0,08 °С8 125-ти элемент¬
ный спрайт-
детектор
800 х 44525 - гиро¬
платформа
Argus 35QDI-2000, Digital
Imaging Infra¬
red, США (на
базе системы
DI-9800)-0,08 °С8 12320 х 240-ИК-сканер
ГосНИИ АС,
г МоскваПоказывприбор0,1 °С3 5 и
8 14--"Везувий-ЭК",
ВНЦ ТОЙ им
С И Вавилова"Многоспектр
авиац сканер
(показыв
прибор)0,1 0,3 °С0,4 1,0
3 5
8 12
и др12,5255010080Приборы для промышленного примененияThermoprofile-HT
FLIR Systems,
США+75-1-600 °с1 °С3 58 20 Гц
90°-Thermopiofile-50
FLIR Systems,
США0 +1600°с-3 548 Гц
256 элемен¬
тов/строку-GS100, Raytek,
США (для сте¬
кольного про¬
изводства)20 +950 °С--36 Гц и
48 Гц-"ИКСА-04",
Томский
НИИ ИН+100
+450 °С-2 20
(пиро-
прием¬
ник)2 Гц
150 элемен¬
тов/строку8"Интрокон-
05Ц", Томский
НИИ ИН+50+600 °С-1,55,3(PbSe)2 Гц
360 элемен-
гов/строку6
ИНФРАКРАСНЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ПИРОМЕТРЫ)245Рис. 7.19. ИК системы с линейной (строчной) разверткой:tf-Thermopiofile-50 (FLIR Systems), б - "Интрокон-05Ц" (Томский НИИ ингроскопии)сти, а при чрезмерно малой - наложение
строк друг на друга Приборы такого типа
разрабатываются для ИК-аэросъемки, в
основном, в военных целях За рубежом
основными производителями являются
фирмы FLIR Systems, Raytheon, Digital
Imaging Infrared и др Оптико-механи¬
ческие ИК-сканеры с высокими парамет¬
рами для космических применений были
созданы в СССР Среди систем, устанав¬
ливаемых на самолетах и вертолетах, сле¬
дует отметить бортовой тепловизор "Ве-
зувий-ЭК" (развитие прибора "Вулкан"),
разработанный ВНЦ "ГОИ им С И Вави¬
лова" и применяющийся для решения гео¬
физических задач При угле обзора 84 град
прибор имеет типовое пространственное
разрешение 1 мрад (возможно до 0,2 мрад)
и работает в 4-х спектральных диапазонах
Непрерывное тепловое изображение зем¬
ной поверхности может фиксироваться на
фотопленку (рис 7 18,6) или электронную
память с последующей передачей инфор¬
мации на станцию слежения В космиче¬
ской аэросъемке широко применяют спек¬
трозональные системы, регистрирующие
электромагнитное излучение Земли сразу
в нескольких (до 24) каналах В спутнико-
Bbix системах ИК-разведки и в военных
системах раннего обнаружения целей
применяют разнообразные схемы скани¬
рования, отличные от изображенной на
Рис. 7 18) Описание этих систем выходитза рамки данной книги (см, например,
справочник [101])В промышленных сканерах (строчно-
сканирующих ИК-пиромеграх) частоты
развертки фиксированы, и сопутствующие
компьютерные программы позволяют
строить непрерывные тепловые изображе¬
ния движущихся объектов Основными
потребителями строчно-сканирующих
ИК-пирометров являются металлургиче¬
ская, цементная, стекольная и бумагодела¬
тельная промышленность (см табл 7 6 и
главу 9) На рис 7 19, а показан внешний
вид и основные параметры прибора Ther-
moprofile-50 Несколько типов линейных
ИК-сканеров были разработаны в России
(Томском НИИ интроскопии, Омском го¬
сударственном техническом университете
и др организациях) для контроля темпе¬
ратуры вращающихся печей, использу¬
емых для производства цемента Внешний
вид и характеристики отечественной сис¬
темы "Интрокон-05Ц" приведены на
рис 7 19, б7.10. ИНФРАКРАСНЫЕ
ТЕРМОМЕТРЫ (ПИРОМЕТРЫ)Инфракрасные термометры (оптиче¬
ские пирометры) предназначены для бес¬
контактного измерения температуры в
локальных зонах В НК материалов эти
приборы практически не используется (за
исключением специализированных иссле-
246 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯдовагельских систем, в ряде случаев сты¬
куемых с точечными нагревателями), но
их широко применяют в пассивной техни¬
ческой диагностике электротехнических
установок, теплоэнергетике и строитель¬
стве, а также для измерения температуры
в технологических процессах Приборы
выпускают трех типов портативные ИК-
термометры, бесконтактные датчики тем¬
пературы, встраиваемые в промышленные
установки, и исследовательские системы
ТК, включая ИК-микроскопы Пирометры
для промышленною применения должны
быть сертифицированы Госстандартом РФ
и проходить поверку каждые I 2 годаОсновными параметрами ИК-тер-
мометров являются• диапазон измеряемых температур
(стандартный диапазон -20 +900 °С,
однако возможно его расширение в обе
стороны, в час гноеги, до +3000 °С),• показатель визирования, пред¬
ставляющий собой отношение диаметра
визируемого пяша к расстоянию между
прибором и объектом контроля, например,
показатель визирования 1 80 означает, что
на расстоянии 8 м диаметр визируемой
зоны составит 10 см (строго говоря, опти¬
ческая диаграмма ИК-термометров явля¬
ется более сложной и обеспесчиваег ми¬
нимальным размер исследуемой зоны на
фиксированном расстоянии до объекта),• постоянная времени (в зависимо¬
сти от типа используемого фотоприемникаможет составлять от микросекунд до сотен
миллисекунд7.10.1. Портативные ИК-термо.
метры. В большинстве западных и ряде
российских портативных пирометров
"пистолетного" типа наводку на объект
осуществляют с помощью лазерного целе-
указателя Луч лазера указывает либо
центр визируемого пятна (одиночный ла-
зер), либо действительные размеры пятна
(круговой лазер) На открытом воздухе и
на больших расстояниях лазерный луч не
виден, поэтому применяют оптическую
наводку Портативные пирометры высоко-
го уровня, например приборы серии 3i
фирмы Raytek (Thermopomt-90), имеют
встроенную цифровую памя!ь измерен¬
ных значений, интерфейс ввода в компью¬
тер и программное обеспечение, позво¬
ляющее накапливать резуньтаты измере¬
ний и представлять их в удобной форме.Стоимость большинства ИК-пиро-
метров составляет от 100 до 1000 долла¬
ров США Среди западных производите¬
лей этих приборов следует выделить фир¬
му Raytek, выпускающую широкую но¬
менклатуру бесконтактных ИК термомет¬
ров (эти же модели распространяются под
торговой маркой Thermopoinl фирмы FLIR
Systems) Данный сегмент рынка успешно
осваивается и рядом российских фирм
Технические параметры ИК-термо-
метров приведены в табл 7 7 и на
рис 7 20Рис. 7.20. Портативные ИК-термометры фирмы Raytek (США)(эти же модели поставляются фирмой FLIR Systems)
ИНФРАКРАСНЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ПИРОМЕТРЫ)2477.7. Портативные ИК-термометрыМодельДиапазон измерения,
°CПоказательвизированияДополнительные функцииОтечественные приборыС- 110 "Факел”
/"ТЕХНОАС")-20+200100 1Точечный лазерС-210 "Салют"
ГТЕХНОАС")-20+600100 1Точечный лазерС-300 «Фаворит»
("ТЕХНОАС")-20+200100 1
150 1Точечный лазерС-500 "Самоцвет"
('ТЕХНОАС")+400+ 1600100 1
150 1Оптический прицелС-600("ТЕХНОАС")f700+800+ 1900
+2200180 1Оптический прицелС-3000("ТЕХНОАС")+ 1100+ 190060 1Оптический прицел
Автом учет коэфф излучКТ А("КОНТАР")+50+250030 1МногоканальныйДИЭЛТЕСТ-ТВ("Веста-С")+500+700+ 1800
+3000-Память на 63 значенияДИЭЛТЕСТ-ТВ("Веста-С")+200+ 1200-Память на 63 значенияАСТРОТЕМ("Астрон-лекгро")-20+20010 1,30 1,
40 1,120 1,
150 1Лазерный или оптический
прицелКельвин(НПО "Диполь")-30050+400+600+700150 1
180 1Лазерный или оптический
прицелЗарубежные приборыМТ2, Raytek, США-18+2758 1-_МТ4, Raytek, США-18+2758 1Точечн лазерMimTempFS, Ray¬
tek, США-30+2004 1Точечн лазер
Фиксир коэфф излучRaynger ST20, Ray¬
tek, США (аналог
JThermopoint-2)-30+40012 1Точечн лазер
Фиксир коэфф излучRaynger ST30, Ray¬
tek, США (аналог
J[hermopoint-3)-30+54512 1Круговой лазер
Фиксир коэфф излуч
248 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯПродолжение табл 7 ;МодельДиапазон измерения,
°CПоказательвизированияДополнительные функцииRaynger ST60, Ray¬
tek, США (аналог
Thermopoint-6)-30 +60030 1Круговой лазер
Регулир коэфф излуч.
ТермопараRaynger ST80 (80-
IS), Raytek, США
(аналог Thermo-
point-8)-30 +76050 1Круговой лазер
Регулир коэфф излуч
ТермопараMX2, Raytek, США
(аналог Thermopoi-
nt-62, 64)-30 +90060 1Круговой лазер
Регулир коэфф излуч.
(имеется модель с цифро¬
вым выходом и памятью
па 100 точек)MX4+, Raytek,
США (аналог Ther-
mopoint-64+)-30 +90060 1Круговой лазер "
Регулир коэфф излуч.
Цифровой выход
Компьют программа.3i, Raytek, США
(аналог Thermopo-
int-90)-30 +1200
(модель 1M до
+ 1800 °C, модель 2M
до +3000от 25 1
до 180 1Круговой лазер
Регулир коэфф излуч.
Цифровой выход
Компьют программа
Спектральные фильтры
для стекла и пластмасс.PhotoTemp MX6+,
Raytek, США-30 +90050 1Встроенная цифровая фо¬
токамера, позволяющая
фиксировать зону измере¬
ния температурыULTIMAX-10+900 +3000-Видоискатель RS 232
(1RCON, США)ULTIMAX-20+600 +3000-ULTIMAX-40-50 +1000-ШЛ1МАХ-400-20 +30010 1Точечный лазер7.10.2. Устанавливаемые бескон¬
тактные датчики температуры. Недос¬
татком широко распространенных кон¬
тактных измерителей температуры, в ча¬
стности термопарных, является относи¬
тельно невысокий срок службы (без спе¬
циальной защитной оболочки) или боль¬
шая постоянная времени (при наличии
защитной оболочки), а также невозмож¬
ность измерять температуру в удаленныхот места установки зонах Ряд мировых
фирм, прежде всего фирма Raytek, выпус¬
кает ИК-датчики температуры, которые
могут заменять термопары ИК-датчики
обладают малой постоянной времени (до¬
ли секунды) и хорошо встраиваются в ав¬
томатизированные системы сбора данных
и управления технологическими процес¬
сами Аналоговый выход ИК-датчиков
часто градуируют в соответствии с сигна¬
ЭТАЛОННЫЕ ИСТОЧНИКИ (МОДЕЛИ АЧТ)249а)б)Рис. 7.21. Устанавливаемые ИК-датчики температуры фирмы Raylek, США:а - серия Compact MID, б - серия Compact CIлом распространенных термопар По циф¬
ровому каналу возможна связь с компью¬
тером согласно протоколу RS-232 или RS-
485 Ряд моделей, помимо самих датчиков,
включает блок обработки сигнала, позво¬
ляющий устанавливать коэффициент из¬
лучения, определять экстремальные пока¬
затели температурного сигнала и выдаватьсигнал тревоги При необходимости при¬
боры комплектуются защитным кожухом,
которые охлаждают водой и пи воздухом
Стоимость датчиков - того же порядка,
что и портативных ИК-тсрмометровВ табл 7 8 и на рис 7 21 описаны ус¬
танавливаемые ИК-датчики температуры
фирмы Raytek7.8. Устанавливаемые ИК-датчики температуры фирмы Raytek, СШАМодепьДиапазон измеренийПоказатель визированияСерия Compact
MID LT-40600 °С2 1 и 10 1MIDG5150850 °С2 1 и 10 1MID MTB2001200 °С2 1 и 10 1CI0500 °С4 1GP (с лазерной наводкой)-8540 °С50 1Серия Thermalert-183000 °С60 1 и 90 1Серия Marathon (вкл цветовые
и оптоволоконные пирометры)2503000 °С-7.11. ЭТАЛОННЫЕ ИСТОЧНИКИ
(МОДЕЛИ АЧТ)Как отмечалось выше, заводская ат¬
тестация тепловизоров и ИК-термометров
действует в течение 1 2 лет в зависимо¬
сти от модели В России схемы метроло¬
гических испытаний этих приборов в
принципе хорошо разработаны, но их не
всегда удается реализовать на практике
из-за отсутствия аттестованных образцо¬вых низкотемпературных излучателей
(моделей абсолютно черных тел - АЧТ)
Фактически только небольшое число рос¬
сийских организаций метрологического
профиля, а также ряд специализированных
фирм, в состоянии выполнять аттестацию
и поверку ИК-приборов для измерения
низких температур Следует отме!шь, что
на практике зачастую поверяют диапазон
измерения температуры и основную по¬
250 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ7.9. Эталонные излучатели для поверки тепловизоров и ИК-термометровМодельДиапазон
температур, °СПогреш¬ностьТемператур¬
ное разреше¬
ние, °ССтабиль¬ностьДиаметраперту¬ры,ммКоэф.фициенхизлучуниЯВВ1000(Raytek)-20 150±0,3 °С0,10,1 °С/8 ч510,98ВВ2500(Raytek)От окр среды
+10 до +300±1°С или
0,25 %10,5 °С/8 ч760,98ВВ5000(Raytek)+200 +1150±1°С или
0,25 %10,5 °С/8 ч510,999ВВ5000(Raytek)+300 +1700±1°С или
0,25 %11 °С/8 ч250,99 ~грешность, хотя в принципе тепловизоры
характеризуются достаточно большим
набором метрологических параметров
Процедура аттестации и поверки может
различаться в зависимости от назначения
тепловизоров, в частности, в России реа¬
лизована схема испытаний медицинских
тепловизоров (ОСТ 3-4408-82 Минмед-
прома СССР "Приборы тепловизионные
медицинские Методы измерений основ¬
ных параметров”)Эталонные излучатели для теплови¬
зоров и ИК-термометров сходны по кон¬
струкции, однако для поверки тепловизо¬
ров размер излучающей зоны превышает
5 10 см, тогда как для пирометров за¬
частую достаточно 2 4 см Описание
конструкций эталонных излучателей вы¬
ходит за рамки данного справочника (см
книги [1, 99-101]), технические характе¬
ристики некоторых зарубежных моделей
приведены в табл 7 97.12. КОНТАКТНЫЕ ДАТЧИКИ
ТЕМПЕРАТУРЫПоскольку одним из основных пре¬
имуществ теплового метода НК является
оперативный характер испытаний, кото¬
рый реализуется только в случае исполь¬
зования ИК-устройств измерения темпе¬ратуры, контактные датчики температуры^
за небольшим исключением, не использу*
ются в ТК, или, по крайней мере, играют
вспомогательную роль В настоящем па-
раграфе сделан лишь краткий обзор кон¬
тактных устройств, основанный на мате¬
риалах справочника [11]Четыре основных типа температур-
ных датчиков описаны в табл 7 10 Кроме
того, существуют температурочувстви:- -
тельные покрытия, которые, будучи нане¬
сенными на поверхность объекта, способ*
ны визуализировать его динамическое
температурное поле (жидкие кристаллы)
или свидетельствовать о достижении тем^
пературой определенного уровня (термск
индикаторы плавления)7.12.1. Термопары. Открытый Т. Зе*
ебеком в 1821 г термоэлектрический эф*
фект состоит в том, что в цепи проводов,
содержащих соединения (спаи) разнород**
ных металлов, возникает электрически!
ток, если нагревать одно из соединений*
Показания включенного в разрыв тако|^
цепи вольтметра будут прямо пропорцией *
нальны температурееАВ = а Т, (7.ИУгде а - термоэлектрический коэффициент
В табл 7 11 описаны свойства некоторый
распространенных материалов, исполь*
зуемых для изготовления термопар
КОНТАКТНЫЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ2517.10. Характеристика контактных телшературных датчиков [11]ПреимуществаНедостаткиТермопарьнб требуют питания
просты конструктивно
прочнынизкая стоимостьработают в широком температурном диапазоне
выпускаются различной формы и размеровiнелинейнынизкий уровень сигнала
требуется эталон
наименее стабильны
наименее чувствительныТермометры сопротивлениянаиболее стабильнывысокая стоимостьнаиболее точныинерционныболее линейны, чем термопарытребуется источник токамалые изменения сопротивленияизмерения по четырем проводамТермисторывысокий уровень выходного сигналанелинейнымалоинерционныограниченный диапазон измеренияизмерения по двум проводамхрупкитребуется источник токанагреваются в процессе работыДатчики на основе интегральных схемнаиболее линейныТ < 250 °Снаиболее высокий уровень выходного сигналатребуется источник питаниянизкая стоимостьинерционнынагреваются в процессе работывыпускаются ограниченной конфи¬гурацииОсновной особенностью термопар
является то, что при подключении к ним
измерю ельных приборов (вольтметра)
возникают допопнитепьные термопары,
сигналы которых должны быть учтены
при измерении Например, подключение
вольтметра с медными проводниками к
медь - константановой термопаре (тип Т)
не вызывает термоэлектрической электро¬
движущей силы (э д с ) в месте контакта
Медь - медь, но вызывает ее в месте кон¬
такта медь - константан (рис 7 22, а)Распространенным способом учета этого
эффекта является термостабилизация до¬
полнительного спая, например, помещая
ею в тающий лед (рис 7 22, б) Сущест¬
вуют разнообразные схемы подключения
термопар, повышающие точность измере¬
нийВ отличие от термисторов и гермо-
метров сопротивления, термопары не из¬
меряют абсолютной температуры, по¬
скольку требуют создания эталонного
спая Основным преимуществом термопар
252 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯТающий леда) б)Рис. 7.22. Включение термопар:а - непосредственное (Vj = 0), б - использование эталонного спая (V3 = V4 = 0)7.11. Свойства термопар [11]ТипМатериал (пропорции)Электрическое сопротивле¬
ние, 0м/305 мм при 293 КТ ермоэл ектрический
коэффициент, мВ/КВ(+) 0,7 платина, 0,3 родий
(-) 0,94 платина, 0,06 родий0,225,96 при 273 КЕ(+) 0,9 никель, 0,1 хром
(-) консгантан0,7158,67 при 873 КJ(+) железо
(-) консгантан0,3650,38 при 273 КК(+) 0,9 никель, 0,1 хром
(-) никель0,5939,45 при 273 КТ(+) медь
(-) константан0,3038,75 при 273 Кскопах использованы многоэлементные
термоэлектрические датчики площадыФ
1 х 1 см, которые прижимались к контро¬
лируемой поверхности через фторопла¬
стовые прокладки с воздушным зазором
около 0,1 мм Теплопередача в зазоре npo-v
исходит путем теплопроводности, боль¬
шая постоянная времени делает такие дат*
чики пригодными для обнаружения Дб*-
фектов достаточно большой площади, ха¬
рактеризующихся оптимальным временем
регистрации более нескольких секунд (из¬
делия типа резина-металл) Преимущества
приборов простота и невысокая стой^является широкий диапазон измерений и
возможность работать в различных, в том
числе, достаточно агрессивных средах
Термопары могут привариваться или при¬
жиматься к объекту контроляТепловые дефектоскопы на
околоповерхностных термоэлектричес¬
ких приемникахВ СССР Ю Г Гавинским были разра¬
ботаны тепловые дефектоскопы активного
типа для сканирования поверхности мно¬
гослойных цилиндрических изделий с де¬
фектами гипа расслоения [10] В дефекто¬
КОНТАКТНЫЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ253^ость Сведения о продолжении данных
разработок в настоящее время отсутству¬
ет.7.12.2. Термометры сопротивления.0араллельно с откРытием термоэлектри¬
ческого эффекта X Дейви обнаружил, что
электропроводность металлов зависит от
йХ температуры В 1871 г У Сименсом
было предложено использовать платину в
качестве чувствительного элемента тер¬
мометров сопротивлений В 1936 г
К. Майерс разработал классическую кон¬
струкцию платинового термометра сопро¬
тивления, которая в основном сохранилась
до настоящего времени В промышленных
термометрах сопротивления двойная пла¬
тиновая проволока намотана на керамиче¬
скую основу и залита стеклом В послед¬
ние годы приобрели популярность пле¬
ночные устройства, которые, по сравне¬
нию с проволочными аналогами, облада¬
ют меньшей инерционностью, габаритами
и стоимостью, но большим электрическим
сопротивлением, что уменьшает ошибки
измерений, вызванные конечным сопро¬
тивлением соединительных проводов В
любом случае используют одну из мосто¬
вых схем подключения термометров со¬
противления с использованием внешнего
источника питания и вольтметраЭлектропроводность металлов (см
табл. 7 12) увеличивается с ростом темпе¬
ратуры Наиболее используемые материа¬
лы: платина и сплавы никеля Термометры
сопротивления являются более линейны¬
ми датчиками температуры по сравнению
с термопарами, тем не менее, для аппрок¬
симации зависимости электросопротивле¬
ния от температуры используют формулу
Каллендара-Ван ДузенаRj — Rq ot.6fx.
1100т100-pf—-1
I 100100(7 12)T = 273 К, a - температурный коэффици¬
ент, 6 * 1,49, P = 0, если T > 213 К и
р = 0,11, если Т < 273 К Более точные
значения a, Р, б определяют путем тари¬
ровки термометра сопротивления при че¬
тырех температурах7.12. Электропроводность металловМеталлЭлектрическое сопро¬
тивление, Ом мм2/мЗолото21,61Серебро14,63Медь15,39Платина98,08Вольфрам49,87Никель59,85где RT - сопротивление при температуре
^ До ~ сопротивление при температуреСледующие особенности термомет¬
ров сопротивления должны быть приняты
во внимание при их практической экс¬
плуатации 1) эти приборы более хрупки
по сравнению с термопарами, и с ними
нужно обращаться с осторожностью, 2) за
счет прохождения электрического тока
термометры сопротивления, особенно ма¬
лой массы, могут нагреваться, что создает
ошибки измерения (этот эффект подавля¬
ют, используя малые токи и метал ты с
высоким сопротивлением, а также погру¬
жая датчики в теплопроводные среды),3) присоединение термометра сопротив¬
ления к объекту контроля может вызывать
изменение температуры объекта за счет
теплопроводности, 4) вследствие термо¬
электрического эффекта (например, в со¬
единениях медь - платина) может возни¬
кать термоэлектрическая э д с , что требу¬
ет ее компенсации7.12.3. Термисторы. Термисторы по¬
добны термометрам сопротивления, но в
качестве чувствительного элемента они
используют полупроводники, у которых
зависимость сопротивления от температу¬
ры может быть весьма сильной Поэтому
термисторы являются наиболее чувстви-
254 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯгельными контактными измерителями
температуры, тогда как термопары более
универсальны, а термометры сопротивле¬
ния наиболее стабильныУ большинства полупроводников
электросопротивление падает с ростом
температуры (хотя есть полупроводники с
’’положительной" характеристикой) Срав¬
нение трех типов контактных термометров
приведено на рис 7 23 Видно, что терми¬
сторы являются весьма нелинейными дат¬
чиками, их характеристика описывается
уравнением Штейнхарта-Харта [11]7 = ! (7 13)А + В(\п 7?)+ C(ln К)3 ’где Т - температура в К, R - сопротивле¬
ние в Ом, А, В, С - коэффициенты, опре¬
деляемые по трем эталонным температу¬
рам При типичном электросопротивлении
около 5 кОм при комнатной температуре,
термисторы в меньшей степени подверже¬
ны ряду ошибок измерения, характерных
дтя других термометров Их применение
ограничено температурами до нескольких
сотен Кельвина, а длительная экспозиция
при высоких температурах требует их пе¬
риодической тарировки7.12.4. Интегральные датчики тем¬
пературы Этот тип контактных термо¬
метров является относительно новым
Коммерчески доступны приборы с выхо¬
дом по току (1 мкА/К) и по напряжению
(10 мВ/К) Будучи весьма линейными уст¬
ройствами, интегральные датчики обла¬
дают теми же недостатками, что и терми¬
сторы, поскольку используют полупро¬
водниковые материалы с относительно
небольшим диапазоном измеряемых тем¬
ператур Их часто используют для ком¬
пенсации ошибок измерения термопар, а
также для создания многоканальных ав¬
томатизированных систем измерения тем¬
пературы в промышленности7.12.5. Жидкокристаллические тер-
моиндикагоры. Открытые более ста лег
назад жидкие кристаллы, занимающиеRэлектросопротивления контактных
термометров от температурыпромежуточное положение между твер¬
дыми кристаллическими веществами ц
жидкостями, долгое время рассматрива¬
лись в качестве физического курьеза. В
70-х г прошлого века произошло стреми¬
тельное нарастание исследований и прак¬
тического применения этих специфиче¬
ских веществ, список которых в настоя¬
щее время превышает сотню тысяч на¬
именованийВ качестве датчиков температуры ис¬
пользуют жидкие кристаллы, в которых
тип жидкой фазы зависит от температуры.
Молекулы этих веществ, в зависимости от
температуры, выстраиваются в опреде¬
ленном порядке, создавая так называемые
нематические, холестерические или смек¬
тические мезофазы Рассеиванием белого
света термоиндикаторы создают цветную
картину температурных распределений
при изменении цвета от красного к сине*
му Для избежания обратного рассеяния
света от подложки, на контролируемый
материал либо наносят черное покрытие*
либо используют зачерненные жидкокри¬
сталлические пленки, в которых сама
пленка играет роль покрытияПервые виды жидкокристаллическихтермоиндикаторов были подвержены бы¬
строй деградации на открытом воздухе из-
за загрязнения и воздействия ультрафио-
КОНТАКТНЫЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ255ового (УФ) излучения Этот недостаток
был быстро преодолен после внедрения
хнологии микрокапсулирования, допол-
нительным преимуществом которого яв¬
ляется меньшая зависимость наблюдаемо¬
го цвета от угла зренияУже к 1975 I был накоплен опреде-
1еНный опыт использования жидких кри¬
сталлов в НК (обнаружение скрытых де¬
фектов, перегрев радиоэлектронных ком¬
понент, контроль качества теплообменни¬
ков, обнаружение трещин в авиационных
конструкциях и медицинская диагности¬
ка).Обычные жидкокристаллические
пленки имеют постоянную времени до
десяти миллисекунд, разработаны также
индикаторы субмиллисекундного и даже
микросекундного диапазонаЖидкокристаллические термоинди-
(аторы поставляются следующих типов1) спреи, 2) покрьпия для твердых по¬
верхностей, 3) микрокапсулы дня исполь¬
зования в качестве грассирующих веществ в
водных средах (размер капсул 5 10 мкм),4) пленки на полиэстеровой основе,5) компаунды и смеси для малоразмерных
объектов (в последнем случае пространст¬
венное разрешение достигает микромет-
рового уровня)Химический состав жидких кристал¬
лов определяет их цветовой отклик на из¬
менение температуры Производители
обычно указывают начальную температу¬
ру цветоизменения и диапазон перехода
цветов (точку перехода от красною к си¬
нему) Термоиндикагоры доступны в диа¬
пазоне от -30 до +100 °С с температур¬
ным разрешением 0,5 °С В СССР выпус¬
калась широкая номенклатура жидких и
пленочных термоинднкаторовПо очевидным причинам количест¬
венное измерение температуры с помо¬
щью жидких кристаллов затруднительно,
но во многих задачах НК этого и не гребу¬
тся например, с помощью жидких кри¬
сталлов легко осуществляют визуальный
контроль за температурой радиоэлектрон¬
ных компонент в процессе дизайна и экс¬плуатации При необходимости измерять
температуру используют узкополосные
кристаллы с ярко выраженными цветовы¬
ми переходамиИнтерпретация цветов является субъ¬
ективным процессом, хотя и были разра¬
ботаны телевизионные системы наблюде¬
ния за жидкокристаллическими термоин
дикаторами, в которых использована RGB
(Red-Green-Blue) модель цветаТехнология применения жидкокри¬
сталлических термоиндикагоров включает
следующие этапы [11]• оценку максимальной и минималь¬
ной ожидаемой температуры,• выбор жидкокристаллической сме¬
си, подходящей для данного температур¬
ного диапазона,• нанесение черного покрытия на
контролируемую поверхность или исполь¬
зование жидкокристаллической пленки,• обеспечение визуального доступа к
контролируемой поверхности при мини¬
мальных отражениях,• обеспечение устройств наблюдения
цветов в реальном времени (если это не¬
обходимо),• минимизацию экспонирования объ¬
екта контроля ИК- и УФ-излучению,• калибровку цветов по температуре
(если это необходимо),• оценку температурного распреде¬
ления по визуальной или зарет истриро-
ванной цветовой картине7.12.6. Термоиндикагоры плавле¬
ния. В промышленности достаточно ши¬
роко используют термонндикаторы с тем¬
пературозависимой точкой плавления
(смеси органических и неорганических
веществ), которые поставляются в виде
красок, таблеток, термомелков и гермока¬
рандашей Типичной процедурой является
нанесение на объект контроля маркера,
который плавится и изменяет цвет при
достижении определенной температуры
Диапазон фиксируемых температур со¬
ставляет от +38 до +1370 °С Шаг оценки
256 Глава 7 СИСТЕМЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯтемператур с помощью термоиндикаторов
плавления может достигать 3,4 °С, хотя
обычная чувствительность составляет от14 до 28 °С Термоиндикаторы плавления
удаляют с помощью воды или спирта, хо¬
тя при их сильном перегреве может по¬
требоваться механическая зачистка по¬
верхностиОсновные области применения те^
моиндикаторов плавления в качеств^
средства мониторинга температуры и cbjj*
детелей перегрева металлургия, энергет^.
ка, сварка и другие промышленные пр^
цессы и производства, где температур
является индикатором качества или фу^
ционирования
Глава 8ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ
ДАННЫХ И ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ81. ПАРАМЕТРЫ ОБНАРУЖЕНИЯ
ДЕФЕКТОВ В ТККак отменапось выше, технология НК
включает фазу обнаружения дефектов и
фазу оценивания их параметров Фаза об¬
наружения завершена, если оператор или
автоматическое устройство либо признало
объект контроля бездефектным, т е соот¬
ветствующим нормативным требованиям
по качеству, либо приняло решение о на¬
личии тех или иных дефектов На этой
стадии обработки результатов НК пара¬
метры дефектов не определяют, а процесс
принятия решения носит статистический
характер На стадии дефектометрии, ис¬
пользуя математические методы решения
обратных задач, оценивают параметры
дефектов и степень их важности для без¬
отказного функционирования объекта
контроля, а в ряде случаев прогнозируют
качество (срок службы, работоспособ¬
ность) объекта В ТК процедуры обработ¬
ки данных согласно указанным стадиям
разработаны слабо, в особенности, если
речь идет о прогнозировании срока служ¬
бы. В большинстве случаев ответствен¬
ность за принятие решения о степени
серьезности обнаруженных дефектов при¬
нимается конечным пользователем (заказ¬
чиком) на основе существующих норм и
стандартовВ ТК заключение о качестве изделий
принимают на основе анализа 1) величи¬
ны обнаруженных температурных анома¬
лий; 2) особенностей их временного раз¬
вития, 3) морфологии температурных зон
на поверхности изделияДля обнаружения скрытых дефектов
по их поверхностным температурным от¬
печаткам необходимо, чтобы 1) ТФХ де¬
фектов отличались от ТФХ основного ма¬
териала (или на поверхности раздела од¬нотипных материалов имели место специ¬
фические граничные условия, например
возникало контактное сопротивление),
2) дефекты создавали максимальное воз¬
мущение для тех тепловых потоков, кото¬
рые ответственны за возникновение "по¬
лезных” температурных аномалий Из по¬
следнего условия следуег, что ТК эффек¬
тивен при обнаружении газонаполненных
дефектов большой площади, основная
плоскость которых расположена перпен¬
дикулярно тепловому потоку, возбуждае¬
мому нагревателем К таким дефектам
относятся 1) расслоения между связую¬
щими слоями и несплошности основного
материала, 2) плоские трещины, 3) ино¬
родные включения, 4) участки аномальной
влажности, 5) локальный унос материала
(коррозия), 6) участки контакта двух ма¬
териалов с повышенным тепловым сопро¬
тивлением, включая так называемые "це¬
лующиеся" (kissing) дефекты8.2. СТАТИСТИЧЕСКИЕ
ПОКАЗАТЕЛИ ПРИНЯТИЯ
РЕШЕНИЙСхему НК можно рассматривать со-
ласно рис 8 1 Входную информацию по
тавляет объект контроля, о состоянии (ка
честве) которого оператор или автомати¬
ческое устройство должны сделать заклю¬
чение, используя тот или иной способ и
аппаратуру НК Выходная информация
содержит четыре возможных результата
диагностики или две пары заключений о
том, содержит или нет объект контроля
скрытые дефекты Заключение может
быть истинно-положительным (истина
"дефект есть", заключение "дефект есть"),
ложно-отрицательным (истина "дефект
есть", заключение "дефекта нет"), истинно¬
отрицательным (истина "дефекта нет",9-607
258Глава 8 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХИстинно- Ложно¬положительное отрицательное
заключение (ИИ) заключение (JIO)[Правильное обнаружение]
ИП +ЛО =100%Истинно- Ложно-отрицательное положите пыюе
заключение (НО) закпючение (ЛИ)[Ложная тревога]
ИО+ЛП =100%Рис. 8.1. Схема неразрушающего контролязаключение "дефекта нет") и ложно¬
положительным (истина "дефекта нет",
заключение "дефект есть") Выраженные
в терминах вероятности, соответствующие
пары заключений в сумме дают 100 %
ИП + ЛО = 100 % и ИО + ЛП = 100 %
(рис 8 1) Истинно-положительное заклю¬
чение характеризуется вероятностью
правильного обнаружения (correct detec¬
tion) РС(л, а ложно-положительное заклю¬
чение - вероятностью ложной тревоги
(false alarm) Pfa Очевидно, что Pcj + Pfa *
ф 100 % Как будет показано ниже, в НК
чаще всего применяют стратегию приня¬
тия решения Неймана-Пирсона, согласно
которой фиксируют величину Pja и оцени¬
вают Рс dПростейший случай принятия реше¬
ния в одномерном пространстве информа¬
тивных признаков изображен на рис 8 2
Решение принимает оператор или автома¬
тическое устройство на пиксельном уров¬
не с использованием температуры в каче¬стве информативного параметра Люба*
зона на поверхности объекта контроля
характеризуется специфическим распре*
делением амплитуд отдельных пикселей^
таким образом, каждая зона может бьгй
отнесена либо к классу "дефектных", либа
"бездефектных" зон Результатом класси¬
фикации являются бинарные карты де¬
фектовВ статистике принятие решения сво*^
дят к проверке нулевой (Я0 ) и альтернаттивной (НА) гипотез Н0 Td = Тп(л Т
нA Td * Tnd , где Td , Tnd средние темпе-
ратуры соответственно в дефектной 4
бездефектной областях При этом исполЬ*
зуют различные статистические критерий
выбор которых зависит от характера
пределения амплитуд сигнала и шум&
Описание некоторых статистических крй--
териев приведено в табл 8 1Отношение сигнал/шум, определяй
мое как
СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ259Плотность вероятностиРис. 8.2. Статистика принятия решений(одномерное пространство признаков)^ _ Td ~ Tnd(8 1)Jndnd пndndгдеzuF(zcr) = ,— \e~x l2dx - функция
V2ti jслужит общепринятым статистическим
критерием при обнаружении дефектов
(напоминаем, что and - стандартное от¬
клонение информативного параметра в
бездефектной области)Если значения информативного па¬
раметра распределены по нормальному
закону, часто используют Z-критерий
[102]:IТ —Т Iz = -Lg "1J-, (82)гДе ппd и nd - количество пикселей в ана¬
лизируемых зонах (бездефектной и де¬
фектной) Определенное таким образом
значение z сравнивают с критическим
значением zcr, которое рассчитывают из
Уравненияа = /уа=1-ЖЛ (83)распределения, а а - вероятность гого,
что стандартная нормальная переменная
величина z примет значения больше zc,
(а есть вероятность ложной тревогиPfa)Две сравниваемые зоны (популяции)
считаются статистически различными,
если z>zcr Описываемый подход не все¬
гда оправдан при анализе пиксельных зна¬
чений, поскольку из-за большого коли¬
чества пикселей в изображениях Z-тест
практически всегда подтверждает стати¬
стическое различие между зонами Поэто¬
му Z-критерий рекомендуют для сравне¬
ния различных техник НК или алгоритмов
обработки данных при прочих равных
условиях, наиболее эффективная техника
(алгоритм) обеспечивает наибольшее
значение z
260Глава 8 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХ8.1. Статистические критерии сравнения двух распределенийКритерийФормулаПримечаниеОтношениесигнал/шум(S)S ~ Tnd
Gndгде and - стандартное от¬
клонение в бездефект¬
ной областиЗначения S > 1 означают наличие ста-
тистических различий между двумя рас.
пределениямиКритерий применим к нормальным
распределениямZ-критерийz = -Gd | Gnd
nd nndгде n„d и rid -количество
пикселей в сравнивае¬
мых областях, -
стандартное отклонение
в дефектной областиЗначение Z-критерия сравнивают с
критическим значением zcr, полученным
из уравнения ci = Pfa = \- f(zu), ГДе1 ZtrF{zcr) = —r= \e~x l2dx - функция рас-л/ 271 J-00пределения, a - вероятность того, что
переменная z примет значения > zcr (ве¬
роятность ложной тревоги a = Pfa)Критерий применим к нормальным
распределениямD-критерий
(тест Колмо¬
горова-Смир¬
нова)D = шахfk—Гм.nd nndгде Fd и Fnd - эмпири¬
ческие кумулятивные
частотыМаксимальное значение ^-критерия
сравнивают с критическим значением
Dcr, которое при nd+ nnd> 35 определяют
по формуле [102]nd + "nd“V ndnnJгде Ka - константа, зависящая от уровня
значимости а (табулирована в [102])*к
например, Ка = 0,136, если a = 0,05
£)-критерий применим к любым рас-
пределениям Вероят¬
ность ложной
тревоги Р/аВеличина Pja численноопределена как площадь
под кривой "бездефект¬
ного” распределения
справа от выбранного
порога zu (рис 8 2)Решение о статистическом различий
двух областей принимают с Риском I
(уровнем значимости) a , равном Pj аВероятностьправильногообнаруженияcdВеличина Pcd численно
определена как площадь
под кривой "дефектно¬
го" распределения спра¬
ва от выбранного порога
zu (рис 8 2)Риск II принять ложную нулевую ги¬
потезу Он равен (3 = 1 -Pcd
СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ261Для сравнения распределений, не
учиняющихся нормальному закону, ис-
одьзуют другие статистические крите-
йй например, £)-критерий Колмогорова-Смирнова (см табл 8 1)Статистические распределения, пока¬
занные на рис 8 2, служат простой графи¬
ческой иллюстрацией введенной выше
вероятности ложной тревоги Pfa и веро¬
ятности правильного обнаружения Pid,
которые могут быть определены после
того, как выбран порог принятия решения
^ Величина Pfa численно равна площа¬
ди под кривой "бездефектного" распреде¬
ления справа от порога zct Это означает,
что Риск I а принятия решения равен
Pja Соответственно, величина Pcd чис¬
ленно равна площади под кривой "де¬
фектного" распределения также справа от
порога zu Риск II р принятия решения
связан с принятием ложной нулевой гипо¬
тезы и равен $=\-Pcd8.2. Значения интеграла вероятное
одностороннего Z-тестаПри нормальном распределении при¬
знаков дефектности в теории статистиче¬
ских решений известны следующие соот¬
ношенияPcd=\-0{Z=Ud~U,hr),°п± (8 4)Pfa=0(Z = ^lhr~~nd),то1 С 2где Ф (Z) = —j= \е~х 72 dx - табулиро-
2л/я Jванный интеграл вероятности Лапласа,
UdMnd - средние значения сигнала (ин¬
формативного параметра) соответственно
в дефектной и бездефектной области,
Utht - порог принятия решения Некоторые
значений интеграла вероятности приведе¬
ны в табл 8 2 Например, для получения
Pf а =5 % необходимо установить порогпринятия решения, равным Und + \,6andZ0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,01,52,02,53,0ф0,5000,4600,4210,3820,3450,3090,2740,2420,2120,1840,1590,0670,0230,0060,001В качестве информативного парамет¬
ра можно использовать избыточную тем¬
пературу поверхности Г, абсолютный пе¬
репад температуры АТ относительно ус¬
ловно-бездефектной точки или текущий
контраст Сип Неокрашенные металличе¬
ские поверхности часто создают ложные
Дефектные отметки, обусловленные нали¬
чием ржавчины, грязи, царапин и г п При
этом статистические распределения ин¬
формативных параметров в бездефектных
зонах могут быть сходными с теми, что
имеют место в дефектных зонах Очевид¬но, что существенное совпадение распре¬
делений означает практическую невоз¬
можность обнаружения скрытых дефек¬
тов Другим крайним случаем является
полное разделение статистических рас¬
пределений в дефектных и бездефектных
зонах, что имеет место для больших де¬
фектов и представляет слабый практиче¬
ский интерес Во всех других случаях,
принятие решения по выбранному поро¬
гу, как отмечалось выше, приводит к оп¬
ределенным значениям Pcd и Pfa, которые
принимают значения от 0 до 1
262Глава 8 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХВероятность правильного обнаружения1,00,750,500,255 ^ / 4 ^3г 2 /1 у/Параметре
является pa3t
значений сиг:
выраженная)М кривых
шца средних
нала и шума,
в единицахстандартного отклонения о
Кривая 1 - 0,02-0,53-1,04-2,05-3,0. _, - - ......0,250,500,751,0Вероятность ложной тревоги
Рис. 8.3. Рабочая характеристика детектора (обнаружителя)Связь между PC(j и Pja можно выра¬
зить в виде рабочей характеристики де¬
тектора (обнаружите пя), параметром
которой является степень сдвига "безде¬
фектного" и "дефектного" распределения,
выраженная в единицах стандартною от¬
клонения Пример рабочих характеристик
дан на рис 8 3При практическом сравнении мето¬
дов НК часто используют зависимость PccJ
от размеров дефектов (probability of detec¬
tion - POD), усредненную по нескольким
операторам, что позволяет учесть также
человеческий фактор Пример такого под¬
хода приведен на рис 8 4, где зависимости
вероятности правильного обнаружения от
размеров дефектов приведены для УЗ-,
ИК-термографического и голографиче¬ского контроля отслоений металлических
сот из 1итанового сплава Inconel от об¬
шивки толщиной 0,15 мм, выполненной I&
того же материала Изделия такого вида
использованы в тепловой защите новогСГ
космического челнока Х-33, разрабаты¬
ваемого в США [103] (см также главу 9).
Статистические данные рис 8 4 были полу¬
чены на 12 образцах, каждый из который
содержал 18 искусственных дефектов. Дан*,
ные НК были усреднены по двум оператО'
рам Видно, что УЗ-метод являлся наилуч*
шим для очень малых дефектов (размеров
<1,5 мм), однако тепловой метод оказался
предпочтительным для дефектов большего
размера Результаты голографических ИС*
пытаний были значительно хуже для все£
типов дефектов
СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ263Вероятность правильного
обнаружения2,5 5Длина расслоения, ммРис. 8.4. Кривые вероятности правильного обнаружения
для трех методов НК металлических сот (адаптировано из [103])7,5При анализе полутоновых термо¬
грамм В А Барановым (Томский НИИ ИН)
был предложен простой критерий дефект¬
ности, известный в теории распознавания
образов как критерий Танимото [10]B = Nr±~N,т dNrd-Nfd(8 5)где Nrd, Nm d, Njd - количество истинных,пропущенных и ложных дефектных отме¬
ток (дефектов), выделенных оператором
па изображении Оценка достоверности
НКпо критерию Танимото зависит как от
пропуска дефектов, так и от наличия лож-
^ Дефектов Величина В = 100 % воз-
только, если PCd = 100 % иPfa= 0 Данный критерий целесообразно
применять при сравнении различных ме¬
тодов НК и процедур обработки данных
применительно к стандартным образцам
В табл 8 3 приведены статистические
резульгаты применения критерия Танимо¬
то для оценки результатов ТК образца из
углепластика с девятью искусственными
дефектами в виде фторопластовых вставок
размером ЗхЗ,6х6и12х12 мм, распо¬
ложенными на глубинах 0,25, 1,25 и
2,5 мм Сделаны следующие выводы1) вопреки распространенному мнению
количество ложных дефектных отметок
было невелико (это можно объяснить ре¬
гулярным расположением дефектов),2) разнообразные формы графического
264Глава 8 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХ8.3. Значения критерия Танимото при ТК дефектов в углепластике
(данные усреднены по 11 операторам)Описание изображенияВ,%®А%Исходная ИК-термограмма8,93,41Исходная ИК-термограмма после выравнивания гистограммы
(цветное)52,2i,6Исходная ИК-термограмма после выравнивания гистограммы
(черно-белое)57,81,4Исходная ИК-термограмма после выравнивания гистограммы
(ксерокопия)44,40После нормализации на максимум нагрева63,3здТаймограмма65,61,1представления данных (цветные, черно¬
белые изображения и их ксерокопии) не
оказали существенного влияния на досто¬
верность обнаружение дефектов, 3) самые
высокие значения В соответствовали тай-
мограмме и ее производным8.3. КАРТА ДЕФЕКТОВКарта дефектов представляет собой
бинарное изображение (binary, hil-miss), в
котором единичный пиксель приписывают
дефектным зонам, а нулевой - бездефект¬
ным Карты дефектов, построенные для
конкретной области на поверхности обь-
екта контроля, характеризуются статисти¬
ческими показателями Pja и Ptd9 которые
возникают после введения порога бинари¬
зации (порога принятия решения) В НК
чаще всего используют критерий приня¬
тия решения Неймана-Пирсона, согласно
которому задают требуемое значение /%,
что эквивалентно заданию порога приня¬
тия решения zc/, после чего определяют
Pcd Простейший алгоритм построения
карты дефектов можно выразить следую¬
щим условиемГ(г,;) = 1,если T(i,j)>Tlhr,
иначе T(i,j) = 0, (8 6)где T(i9j) - используемый информативный
параметр, Tthr - порог принятия решения.
Построенная таким способом карта дефек¬
тов, согласно стратегии Неймана-
Пирсона, характеризуется определенными
значениями Pja и PcdПростая иллюстрация статистической
обработки данных в медицинской ИК-
термографии приведена на рис 8 5 (См.
цветную вкладку) (фирма "Инновация^
Россия) Оператор выделяет на термос-
грамме две области, покрывающие инте*
ресующие его зоны (на рис 8 5, а, б для '
наглядности показаны прямоугольные
зоны), после чего оценивают степень ста-*
тистического совпадения зон Например,^
здорового пациента (рис 8 5, а) отноше¬
ние сигнал/шум S = 0,064, что говорит об
идентичности температурных распределен
ний в зонах Рак левой молочной железы
III степени (рис 8 5, б), сопровождающий¬
ся некрозом тканей и резким понижением
температуры, приводит к значению^S = 3,45, что свидетельствует о резкой
различии температурных распределений
Карта дефекта на рис 8 5, в отчетливо по¬
казывает пораженный органПример карт дефектов, полученный
при ТК образца из углепластика (с&
РАСПОЗНАВАНИЕ ОБРАЗОВ В ТК265табл 8 3), показаны на рис 8 6 на цветной
вкладке На исходном ИК-изображении
вЫдеЛИМ три дефекта прямоугольной
Аормы, а также маркерную надпись на
поверхности образца, выполненную белой
фаской (рис 8 6, а) Сравнение a priori
известных дефектных зон с фоном показа¬
ло, 4X0 отношение сигнал/шум для всех
дефектов равно S = 5,5 (рис 8 6, б) Раз¬
решая между двумя распределениями по¬
рог принятия решения, можно определить
вероятности Pfa и Pcd Снижение уровня
ложной тревоги, достигаемое перемеще¬
нием порога вправо (рис 8 6, б), позволяет
устранить температурный отпечаток мар¬
кера, но одновременно уменьшает разме¬
ры дефекгных зон (сравнить карты дефек¬
тов на рис 8 6, в и 8 6, г Рс d = 100 %,
/ув= 10 % и Pfa = 5 % соответственно)8.4. РАСПОЗНАВАНИЕ ОБРАЗОВ
ВТКВ простейшем случае решение о ка¬
честве принимают по одному информа¬
тивному параметру, например по темпера¬
туре. Пример обнаружения зон коррозии в
образце из стали показан на рис 8 7, а
Интерес представляет случай, когда гисто¬
граммы температуры в дефектной и без¬
дефектной областях частично перекрыва¬
ют друг друга, что снижает надежность
принятого решения Улучшить статисти¬
ческие параметры обнаружения можно,
введя в рассмотрение второй информатив¬
ный параметр, например, момент опти¬
мального наблюдения тт(АГот) Очевидно,
что в общем случае дефектная и безде¬
фектная области могут перекрываться по
одному параметру, но быть существенно
разделенными по другому параметру Так,
например, более глубокие дефекты харак¬
теризуются малыми сигналами АТт и дли¬
тельными временами хт, тогда как для
поверхностных аномалий соотношение
этих двух параметров является хаотиче¬
ским. Графическая иллюстрация принятия
Решения в пространстве двух признаков
представлена на рис 8 7, б В этом случаеграницей разделения областей служит
кривая в плоскости, параметры которой
следует определить, исходя из требуемых
показателей Pcd и Pfa Еще одним инфор¬
мативным параметром может служить
характерный геометрический размер ана¬
лизируемой температурной аномалии h
(см рис 8 7, а), что позволяет, например,
улучшить разделение сигналов, обуслов¬
ленных царапинами и внутренними де¬
фектами большой площадиВ общем случае, любая область на
поверхности изделия (как дефектная, так и
бездефектная) может характеризоваться в
процессе НК N параметрами, тогда реше¬
ние о степени различия соответствующих
статистических распределений будет при¬
ниматься в iV-мерном пространстве ин¬
формативных признаков Таким образом,
оптимальное обнаружение дефектов пред¬
ставляет собой стандартную задачу распо¬
знавания образов в многомерном про¬
странстве признаков, которая сводится к
определению параметров гиперплоскости,
разделяющей дефектную и бездефектную
областиВажным условием повышения эф¬
фективности принятия решения путем
введения дополнительных информатив¬
ных параметров является слабая корреля¬
ция этих параметров между собой На¬
пример, дефектная и бездефектная зоны
на рис 8 7, б обладают сходными распре¬
делениями пиксельных амплитуд, но
сильно различаются по параметру im
Анализ степени корреляции различных
информативных признаков в ТК не
исследованСкрытые дефекты можно обнаружи¬
вать эвристически или с помощью авто¬
матического устройства В первом слу¬
чае решение принимает оператор на осно¬
вании алгоритмов, которые до конца не
изучены, хотя очевидно, что они основаны
на анализе многомерного пространства
признаков Связь детерминированной тех¬
ники получения ИК-термограмм и особен¬
ностей их зрительного восприятия была
проанализирована Д Ллойдом [100] Ав-
266Глава 8 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХДефекта)б)Рис. 8.7. Распознавание образов в ТК:а - обнаружение скрытой коррозии, б - двумерное пространство информативных признаков
ШУМЫ В ТК267томатическое распознавание образов на
практике часто сводится к простым поро¬
говым устройствам, также разрабатыва¬
ется сложные компьютерные алгоритмы
опознавания образов В частности, в
последние годы в НК эффективно исполь¬
зуют нейронные сети, которые обучают
подобно операгорам (см п 5 15)8.5. ШУМЫ В ТКВысокий уровень тепловых помех
является своего рода платой за универ¬
сальность ТК Удовлетворительные ре¬
зультат ы лабораторных исследований,
полученные на стандартных образцах, не
всегда удается реализовать при испытани¬
ях реальных изделий Шумы и помехи
возникают в самом объекте контроля, в
окружающей среде и в регистрирующей
аппаратуре Шумы могут складываться с
истинным температурным сигналом Т
(аддитивный шум А ) или перемножаться
с ним (мультипликативный шум М)u(x,y,i) = MT{x,y,x)+A (8 7)Очевидно, что регистрируемый сиг¬
нал и = Т только, если М = 1 и А = О
Наилучшей процедурой испытаний
является такая, в которой чувствитель¬
ность метода ограничена детектором из¬
лучения, те Л/ = 1 и А -» пип Предель¬
ной величиной регистрируемого сигнала
является паспортное температурное раз¬
решение тепловизора ATres, достигающее в
современных моделях 0,01 °С Дальней¬
шее улучшение температурного разреше¬
ние возможно, используя метод накопле¬
ния. Тем не менее, в естественных услови¬
ях конвекция воздуха и посторонние излу¬
чатели создают шум приблизительно на
уровне 0,1 °С, что и можно считать "тем¬
пературным пределом чувствительности
ТК" в реальных условияхКаждый тип шума можно описать в
терминах температуры Различаютструктурный \АТ^Г , аппаратурныйJ^ = ATres и внешний ^Тех, ШУМ Сиспользованием этих терминов, для не¬
коррелированных шумов, отношение сиг¬
нал/шум можно определить какАГ(т) (88)VteJ +(A7;J +(atJПри использовании временных пара¬
метров эквивалентный временной шум
можно оценить по выражениюД7, = -^^Дт (8 9)дтШум окружающей среды создается
тепловым потоком окружающих предме¬
тов, либо отраженным от объекта контро¬
ля, либо непосредственно попадающим во
входной зрачок тепловизора Источниками
этого шума являются нагреватели, Солн¬
це, калориферы, лампы электрического
освещения и г п Прямое излучение устра¬
няют, используя бленды, экраны, фильтры
и тп Труднее устраняется излучение, от¬
раженное от объекта контроля В актив¬
ном ТК основным источником внешнего
шума является нагреватель Например,
при оптическом нагреве металлов оста¬
точное излучение ламп может серьезно
искажать вид термограмм и приводить к
некорректным оценкам параметров дефек¬
тов, если используются чисто температур¬
ные модели тепловой дефектометрии Ес¬
ли коэффициент излучения изделия неве¬
лик, а "черные" покрытия применить не¬
возможно, рекомендуется оценить вклад
отраженного излучения и произвести кор¬
ректировку пиксельных функций измене¬
ния температуры во времени перед при¬
менением алгоритмов идентификацииНа рис 8 8 показаны временные про¬
фили излучения нагрева импульсной лам¬
пы Bowens энергией 2,4 кДж Профиль
у(т) на рис 8 8, а, зарегистрированный с
помощью длинноволновой камеры Ther-
maCam SC 3000, показывает, что значи¬
тельная энергия поступает к изделию в
течение первой секунды, при этом полное
268Глава 8 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХб)Рис. 8.8. Временные профили импульсной лампы Bowens:а - у(т) - профиль нагрева, зарегистрированный длинноволновым тепловизором ГеипаСаш Sc300'б - ф(т) - профиль энергии нагрева во всем спектральном диапазоне (зарегистрирован
"всеволновым" пироэлектрическим приемником)излучение вспышки ф(т), сосредоточенное,
в основном, в видимой части спектра на¬
ходится в интервале времен до 10 мс (рис8 8, б), что и является паспортной харак¬
теристикой лампы Остаточное излучение
обусловлено нагревом стекла лампы, и его
отраженная от изделия компонента может
существенно исказить результаты иден¬
тификации дефектных параметров по тем¬
пературе Для функций нагрева найдены
следующие аппроксимации (в относи¬
тельных единицах)у(т) = 0,8933e_4'76lt + 0,09082е-0 «8477т(т) =-0,00174т2+3,52 10~5 х +
т4+0,00272т3+2,40 10'5т2 ++ 4,39 10-9(8 10)(8 11)+ 6,02 10_8т + 7,08 10““где время т выражено в сВ пассивной диагностике внешние
источники теплового излучения могут
создавать ложные сигналы, которые опе¬
ратор может трактовать как дефектные
отметки Внешнее излучение отражается
не только металлическими, но и гладкими
неметаллическими поверхностями, на¬
пример, в строительной диагностике при
неправильном выборе yi па визирования
окон оператор может наблюдать свое соб¬
ственное тепловое отражение в стекле
окна В табл 8 4 приведена относительная
методическая погрешность температур¬
ных измерений с помошыо тепловизора
при наличии внешних помехПри ИК-съемке вне помещений ис¬
точниками шумового излучения являются
Солнце, небо и подстилающая (земная)
поверхность Солнечное излучение дости¬
гает земной поверхности в диапазоне
0,3 3 мкм, обеспечивая в безоблачный
день пложость энергин 1 1,3 кВт/м2.8.4. Относительная методическая погрешность тепловизионных измерений
температуры при наличии внешней засветки [104]Расстояние между объектом
контроля и источником засветкиОшибка измерения, обусловленная излучением, %человекаэлектрической лампы16,73,,21,90,830,80,340,40,2 _
ШУМЫ В ТК269g ряде задач ТК это излучение можно ис¬
пользовать для нагрева объекгов, хотя в
утих случаях такой дополнительный
цагрев может лишь маскировать искомые
температурные сигналы, например, при
тепловизионной диагностике дымовых
■груб (см главу 9) Атмосфера рассеиваег
солнечное излучение и излучает в полосах
поглощения водяных паров, двуокиси уг¬
лерода, озона и других компонент При
съемке безоблачного неба тепловизор по¬
казывает 01носительно низкие температу¬
ры (до -20 °С в зависимости от угла визи¬
рования) Облака излучают как АЧТ с
температурой, равной температуре окру¬
жающей среды Излучение элементов
земного ландшафта состоит из отраженно¬
го солнечного излучения и собственного
излучения подстилающей поверхности,
которая может рассматриваться как серое
телоСтатистические характеристики из¬
лучения фонов хорошо изучены в аспекте
военной ИК-съемкиВ наибольшей степени результаты
ТК зависят от уровня структурных шу¬
мов, создаваемых объектом контроля Эги
шумы возникают вследствие как поверх¬
ностных, так и объемных флуктуаций фи¬
зических свойств материалов Объемные
неоднородности, как правило, не столь
важны, тем более, что в их качест ве могут
выступать сами искомые дефекты Наи¬
большие неприятности в процедурах пас¬
сивного и активного ТК доставляют по¬
верхностные флуктуации излучательно-
поглощательных свойств обьекта контро¬
ля, которые могут изменяться в простран¬
стве, времени и по спектру Амплитуду
шума можно выражать в температуре, од¬
нако более предпочтительны относитель¬
ные единицы, которые в меньшей степени
зависят от мощности нагреваТиповой феноменологический под¬
ход к оценке шумов состоит в оценке
стандартного отклонения динамического
температурного сигнала в бездефекшых
зонах а„(т), °С, и безразмерного текущегоС ,%/I *4 + 2 О 0,1 0,2 0.3 0,4 т,сРис. 8.9. Изменение текуще! о контраста
шума во времени на новерхносш
керамического теплозащитного покрытия
(импульсный ТК; нагрев в течение 10 мс)контраста шума С''"7 Для ciporo мульти¬
пликативной помехи, определяемой толь¬
ко источником нагрева, шумовой контраст
не должен изменяться во времени На
практике, в силу действия различных фак¬
торов, в том числе влияния неисключен
ных аддитивных шумов, имеет место оп¬
ределенная зависимость контраста шума
от времени при на! реве/охлаждении изде¬
лия Тем не менее, во многих случаях от¬
носительный шум поверхности можно
считать постоянным во времени и выра¬
жать его в терминах усредненного по вре¬
мени и по определенной зоне шумовою
контраста С™п = а„(т)/Г(т) На рис 8 9показано поведение контраста шума кера¬
мического теплозащитного покрытия тур¬
бинных лопаток в процессе импульсного
ТК В среднем шум покрытия характери¬
зуется величиной С',ш ~ 0,05 (5 %)Таким образом, тепловой метод в со¬
стоянии уверенно обнаруживать такие
дефекты теплозащитных покрытий, кото¬
рые создают текущий температурный кон¬
траст в месте дефекта более 5 %Оценки шумовых контрастов для не¬
которых материалов приведены в
табл 8 5 Следует заметить, что, как и в
случае коэффициента излучения, величинаС™ зависит от материала, состояния егоповерхности, а также oi размера про¬
странственной области, в пределах кото¬
270Глава 8 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХ8.5. Текущие шумовые контрасты (на уровне одного а„) для
различных материалов (процедура активного ТК; нагреватель с открытой
спиралью; детектор на основе антимонида индия; размер пятна сканирования0,8 мм) [1051Материал и состояние поверхности%Сталь нержавеющая7,2Сталь с участками коррозии17,1Сталь с участками коррозии (пятно сканирования
увеличено до 2,5 мм)11,1Медь окисленная2,5Медь, покрытая черным лаком5,1Медь, покрытая масляной краской красного цвета4,4Медь, покрытая черной сажей2,8Медь, покрытая черной сажей (с царапинами)14,0Алюминий7,2Текстолит1,1Стеклопластик1,5Углепластик *6,4Углепластик (обработка ФНЧ 3x3)*5,2Углепластик (обработка ФВЧ 3 х 3)*13,6* Данные получены с помощью тепловизора Inframetrics 640рой усредняют шум Очевидно, что наи¬
большей дисперсией обладает пиксельная
функция Г(г,у, т), однако на практике все¬
гда производят усреднение в некоторой
области Стоит заметить, что аналогия с
коэффициентом излучения е является
принципиальной, поскольку именно флук¬
туации £ и коэффициента поглощения
а « £ вносят основной вклад в шумПо данным табл 8 5 1) наименьший
шум создают диэлектрические материалы
и сажевые покрытия, 2) наибольший шум
возникает в участках коррозии металлов,3) металлы в состоянии поставки, напри¬
мер медь, могут иметь низкий уровеньповерхностных шумов (однако они созда¬
ют сильную помеху за счет отраженного
излучения, 4) низкочастотная фильтрация
незначительно снижает шум, а высокочас¬
тотная фильтрация существенно его уве¬
личиваетПри оптимизации ТК конкретного
изделия рекомендуется анализировать из¬
менение во времени отношения сиг¬
нал/шум S(z) = АГ(т)/а„(т)= С(т)/Ся(х)#а не отдельных параметров ДГ(т), С(т),
а„(т), С„(т) Момент времени, когда насту¬
пает максимальное значение S и является
оптимальным моментом ТК Иллюстра¬
ция этому положению приведена на
ШУМЫ В ТК271Л.б)№faв)NoРис. 8.10. Выбор оптимальною момента ТК дефектов в углепластике:д-отношение сигнал/шум, б - вероятность правильного обнаружения, в - вероятность ложнойтревогиС %а)б)в)Рис. 8.11. Тепловой неразрушающий контроль настенных фресок:а — термограмма в конце нагрева (слева) и в оптимальный момент наблюдения воздушного
дефекта (справа), б - текущий шумовой контраст, в - отношение сигнал/шумрис. 8 10 (ТК расслоения размером 6 мм в
углепластике на глубине 1,25 мм) По оси
абсцисс отложены номера изображений в
последовательности, поэтому графики
рис. 8 10 позволяют выбрать изображение
с наилучшей "видное гью" дефектов
(№ 12)Другой пример временного поведе¬
ния вышеуказанных парамегров изобра¬
жен на рис 8 11 (обнаружение воздушно¬
го расслоения под фреской, см также гла-
ВУ 9) [106] Непосредственно после рав¬
номерного нагрева фрески в течение 120 с
с помощью 4-х электрических ламп видтермограммы существенно определяется
самой фреской, неоднородное "окрашива¬
ние" которой приводит к резко неодно¬
родному поглощению оптического излу¬
чения (левая термограмма на рис 8 11, а),
при этом шумовой контраст максимален
Затем, вследствие диффузии тепла, шумо¬
вой контраст непрерывно уменьшается во
времени (рис 8 11,6) Максимальное зна¬
чение отношения сигнал/шум имеет место
при 300 с (рис 8 11, в), хотя максимальное
значение сигнала АТ было отмечено уже
при 180 с
Глава 9ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯКак отмечалось выше, области при¬
менения тепловых методов (ИК-термогра-
фии) подразделяют на техническую диаг¬
ностику объектов со стационарным или
квазистационарным тепловым полем и на
активный неразрушающий контроль мате¬
риалов и изделий Первая область являет¬
ся наиболее развитой и обеспеченной
нормативной документацией, в то время
как собственно ТК материалов, за редкими
исключениями, остается фрагментарным
методом, доверие к которому среди спе¬
циалистов по НК относительно невелико
По-видимому, единственной обла¬
стью, где можно говорить о широком
практическом применении собственно ТК,
является аэрокосмическая техника, в ко¬
торой разнообразие задач НК не позволяет
ограничиться одним или несколькими мето¬
дами В то же время и в некоторых традици¬
онных областях тепловизионной технической
диагностики можно использовать приемы
активного ТК, например, при обследовании
настенных фресок, анализе состояния штука¬
турки на фасадах зданий и т п Ниже приве¬
дены основные области применения ТК вне
зависимости от степени стационарности
исследуемых тепловых полейПрейскурант на различные виды теп¬
ловизионных обследований в свое время
был разработан Минэнерго СССР С уче¬
том изменения масштаба цен стоимость
обследования в настоящее время состав¬ляет от 300 до 3000 долларов США на
объекты типа электрической подстанции,
жилого дома, дымовой трубы, участка
теплотрассы и г п Тепловизионная техни¬
ческая диагностика признана Минэнерго
РФ и РАО "ЕЭС России" в качестве штат¬
ного средства испытаний электроустано¬
вок Расширяется применение тепловиде¬
ния при обследованиях дымовых труб,
котлов и печей и т п Тепловидение рас¬
сматривается органами Госархнадзора,
Г осэнергонадзора и администрациями
ряда городов в качестве важного инстру¬
мента диагностики качества строительства
и энергосбереженияРаботы по оценке рабочего ресурса
потенциально опасных промышленных
объектов, проводимые Г осгортехнадзо-
ром, также могут включать оперативную й
бесконтактную тепловизионную съемку; в
частности, это относится к дымовым тру¬
бам, строительным сооружениям, химиче*
ским реакторам и др объектам Тем не
менее, систематические исследования
экономической эффективности примене¬
ния тепловидения в России не проводи¬
лись, поэтому ниже приведены лишь от¬
рывочные сведения, главным образом, из
зарубежного опытаВ табл 9 1 перечислены основные
направления тепловизионной технической
диагностики и приведены сведения о ее
экономической эффективности
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ2739.1. Эффективность ИК диагностики оборудования
(включая материалы фирмы FL1R Systems)Тип оборудованияОбнаруживаемые дефектыТехнико-экономические последствия
дефектовЭлектрическое оборудованиераспределитель¬
ные щиты и при¬
боры, конденса¬
торы, заземление,
рубильники, про¬
водники, места
соединений, разъ¬
единителиНеплотные (проржавев¬
шие) соединения, нера¬
ботающий конденсатор,
отслужившее заземле¬
ние, плохие контакты
рубильника, перегрев,
перегрузка, поврежде¬
ние проводников в элек¬
трических цепяхПерегрев, искрение или образование
электрической дуги, скрытое горение
или открытый огонь, при повреждени¬
ях проводников в электрической цепи
возможен ее полный разрыв Нерабо¬
тающий конденсатор приводит к неза¬
щищенности от перепадов напряже¬
ния, что может привести к раннему
выходу оборудования из строя
Замена и ремонт 1 100 гыс долла¬
ров США Соображения безопасностиРазличные элек¬
троприборы, пе¬
реключатели, ру¬
бильники, щиты и
пульты управле¬
нияНеплотные (проржавев¬
шие) соединения, пло¬
хие контакты, несбалан¬
сированная нагрузка,
перегрузки и перегревыИскрение или образование электриче¬
ской дуги, скрытое горение или откры¬
тый огонь 25 % всех отказов и сбоев
электрооборудования происходит из-за
неплотных соединений Стоимость
ремонта главной панели переключения
или главного пульта управления J 0
70 тыс долларов США, замены 80
100 гыс долларов США
Соображения безопасностиТрансформаторы
(преобразоват ел и)Неплотные или рас¬
шатавшиеся соедине¬
ния, плохие контакты,
перегретые шины, дис¬
баланс трехфазной на-
г рузки, блокирование
трубок охлаждения, уро¬
вень жидкостиДуга, короткие замыкания, пожар
Перемотка трансформатора 5000 КВт
10 50 гыс долларов США
Замена 80 140 тыс долларов США
274 Глава 9 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯПродолжение та&, 9 jТип оборудованияОбнаруживаемые дефектыТехнико-экономические последствия1*"
дефектовЭлектродвигатели
и генераторыПерегрев подшипников,
дисбаланс нагрузки, ко¬
роткозамкнутые или
разорванные витки, пе¬
регрев щеток, колец и
коллекторов, общая пе¬
регрузка и перегрев,
блокирование вентиля¬
ционных каналовНекондиционные подшипники, визы*
вают повреждения механизмов иди
обмоток Вышедшие из строя щетки
приводят к поломке токосъемных ко*
лец или коллекторов, в результате чего
повреждается обмотка
Перемотка двигателя (5000 л с.): 50
100 тыс долларов США
Замена 100 200 тыс долларов США,
Соображения безопасностиАварийные ре¬
зервные генерато¬
ры электроэнер¬
гии, батареи, кон¬
такты, контакто¬
ры, автоматиче¬
ские аварийные
переключателиНеверная полярность
батарей, выход из строя
батарей, испорченные
или неработающие кон¬
такторы или аварийные
переключателиПотеря резервных систем электро¬
снабжения для ключевых отраслей и
предприятий больницы, телефонная
связь, компьютеры и т пБойлеры и печиБойлеры и паровьРазрушение теплоизо¬
ляции и футеровки, на¬
кипь в литых секциях,
утечки горячего газа,
блокирование трубча¬
тых печей, гарь в тру¬
бах, протечки в предо¬
хранительных клапанахie системыПовышенные теплопотери и механиче¬
ское разрушениеЗамена секций 1,2 5 тыс долларов
СШАЗамена бойлера 8 30 тыс долларов
СШАПерегрев и выход из строя печей, что
требует замены груб или бойлера.
Соображения безопасностиПаровые системыПротечки в клапанах и
фланцах, плохая тепло¬
изоляция, утечки из
подземных коммуника¬
ций, блокирование "об-
раток"Потери пара и энергии
Стоимость утечек пара 10 30 тыс.
долларов США в год
Повреждение оборудования в резуль¬
тате утечекРемонт от 100 долларов США ДО
50 тыс долларов США
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ275Продолжение табл 9 1Тип оборудованияОбнаруживаемые дефектыТ ехнико-экономические последствия
дефектовДароотводчики,
клапана, редукто¬
рыНеисправности в паро-
отводчиках, неверный
размер пароуловителейОткрытый пароотводчик, потери пара
и энергииСтоимость утечек пара до 30 тыс
долларов США в год
Закрытый пароотводчик перенос во¬
ды, воздуха и несконденсированных
газов к оборудованию
Ремонт от 100 до 50 тыс долларов
СШАДвигатели внут¬
реннего сгоранияМеханическое o6iНеисправности клапа¬
нов и систем впрыски¬
вания, блокирование
трубок радиатора и сис¬
темы масляного охлаж¬
денияэрудованиеПерегрев, разрушение клапанов,
поршня, шпилек и цилиндраПовреждения приводных механизмовРемонт 1 40 тыс долларов СШАСистемы охлаж¬
дения и нагрева,
вентиляции и
кондиционирова¬
ния воздухаУтечки воздуха, потери
электроэнергии, засоре¬
ние трубок теплообмен¬
ников Утечки охлади¬
теля/горячей воды/пара,
воздушные пробкиНеэффективное функционирование и
потери энергии, выключениеКонвейеры, опор¬
ные подшипникиПерегретые подшипни¬
ки или ролики, кривизна
оси или ролика, нерав¬
номерное давлениеДефектные подшипники приводят к
повреждению оборудования, неравно¬
мерное давление или кривизна выво¬
дит из строя подшипники/ролики, что
может привести к повреждению кон¬
вейераРемонт до 500 тыс долларов СШАНасосы, компрес¬
соры, вентилято¬
ры, нагнетатели
воздухаПерегретые подшипни¬
ки, повышенная темпе¬
ратура компрессии
и/или масла, разрушен¬
ные или дефектные кла¬
панаРазрушение подшипников и внутрен¬
них деталей, возможное разрушение
агрегага в целомТурбины механи¬
ческого привода и
малые турбинные
генераторыПовышенная температура
смазывающего масла и
подшипников, блокиро¬
вание выпускных клапа¬
нов и пароотводчиков,
неравномерный нагрев
металла, протечки в про¬
кладках цилиндровПроникновение воды внутрь и разру¬
шение подшипников и внутренних
деталей, возможное разрушение агре¬
гата в целом
276Глава 9 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯПродолжение табл. 9 }Тип оборудованияОбнаруживаемые дефектыТехнико-экономические последствия^
дефектовОбжиговые печиРазрушение футеровки,
перегрев подшипников
и редукторовПотери энергии, разрушение подццщ„ников и редукторовЗамена до 1 млн долларов СШАЦеллюлозно-
бумажное произ¬
водствоКолебания влажности,
пересушивание, искрив¬
ления прижимных ро¬
ликов, сбои в работе
парораспределительной
камеры Поломка ваку¬
умных камер, теплоот¬
водов, вытяжных колпа¬
ков сушильных камер
Дефектные прижимные
ролики, нарушения про¬
цесса формирования
целлюлозной массы,
неправильное распреде¬
ление параНесоблюдение параметров влажности
приводит к напрасной грате энергии
низкому качеству продукции, сниже¬
нию емкости производства, увеличе¬
нию повреждений волокнистой массы
из-за пересушиванияПечи, трубы то¬
пок, огнеупорный
материал, тепло¬
изоляцияНаброс факела на стен¬
ку топки, образование
наг ара на внутренних
поверхностях труб, сбои
в работе печейПотери энергии, низкая производст¬
венная емкость, перегрев и коробление
труб или их полный выход из строя,
что может привести к взрыву, с после¬
дующей заменой трубы или полностью
трубы с топкой
Соображения безопасностиОборудование,
работающее в тя¬
желых режимах,
подшипники, тор¬
моза, гидравлика,
ролики, привод,
двигатели, мото¬
ры постоянного/
переменного токаПерегрев тормозов, по¬
крышек, подшипников,
роликов, привода, бло¬
кировки в гидравлике,
кривизна привода и ро¬
ликовОтказ тормозов, поломки подшипни¬
ков Расхождение в выравнивании зуб¬
чатого колеса многопоточной зубчатой
передачи и шариковых подшипников.
Ремонт до 2 млн долларов США.
Соображения безопасностиЭлектричествоЗдания и coop[См Электрическое
оборудованиеужения
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ277Продолжение табл 9 1Тип оборудованияОбнаруживаемые дефектыТехнико-экономические последствия
дефектовОграждающиеконструкцииПотери тепла, дефекты
строительства, утечки
воздуха, увлажненные
участки, утепление окон,
архитектурные реше¬
нияПотери энергии, плохие жилищные
условия, структурные проблемы
вследствие увлажненности, растрески¬
вание и выпадение кирпичей, прежде¬
временное старение анкера кирпичной
кладки и возможное разрушениеРемонт до сотен тысяч долларов
СШАЖелезобетонныеконструкцииОбнаружение арматуры
и определение степени
их износа, контроль
систем обогрева стоянок
автомобилей, обнару¬
жение трубопроводов
горячей или холодной
воды, паропроводов,
обнаружение утечек и
излишних потерь теплаВовремя не обнаруженная коррозия
арматуры и отслоение бетона приводят
к появлению серьезных структурных
проблем Неработающее оборудование
для растапливания снега на автомо¬
бильных стоянках может привести к
несчастным случаямОбогревательные
системы и систе¬
мы кондициони¬
рования воздухаСм раздел Системы
охлаждения и нагрева,
вентиляции и конди¬
ционирования воздухаПотери энергии, плохие жилищные
условияКрышаПротечки и места про¬
никновения влаги на
плоских крышахПотери энергии, протечки в помеще¬
ния зданий вызывают дальнейшие до¬
рогостоящие повреждения
Ремонт от 1 до 10 тыс долларов
СШАДымовые трубы
тецловых станций
и промпредприя-
тийТрещины ствола, обру¬
шение футеровки, на¬
рушение теплоизоляцииПреждевременный выход груб из
строяРемонт от 5 до 20 тыс долларов
СШАДругие примененияРезервуары для
хранения жидко¬
стей и газовИзмерение уровня жид¬
кости, плохая изоляцияПри переполнении емкостей - пролив
жидкостей, потери энергии, утечки
газа в окружающую среду потенциаль¬
но смертельно опасны
278Глава 9 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯПродолжение табл.Тип оборудованияОбнаруживаемые дефектыТехнико-экономические последствия
дефектовСушильные ци¬
линдрыОбразование конденса¬
та, высокая температура
подшипниковПовреждения подшипников приводят*
повреждениям опорных роликов, вы.
падению цилиндров и выводят jq
строя другие цилиндры
Ремонт до 2 млн долларов СШАДоменные печи,
ковшовый отжиг,
т ехнол огическая
обработка нагре¬
вомИзнос огнеупорного
материала, неэффектив¬
но работающие или вы¬
шедшие из строя нагре¬
вателиПотери энергии, низкая производи
тельность, брак, перегрев и коробление
структурыЛетательные ап¬
параты - фюзе¬
ляж, двигатели
(турбореактив¬
ные, внутреннего
сгорания), лопа¬
сти, тормоза, по¬
крышки и другие
составные частиОтслоения, пустоты,
проникновение влаги в
планер, лопасти и несу¬
щие плоскости, включая
сотовые конструкции
Заблокированные вен¬
тиляционные отверстия
в лопатках турбин дви¬
гателей, работоспособ¬
ность противообледени-
тельных систем, протеч¬
ки в гидравлических сис¬
темах фюзеляжа, про¬
верка пористых струк¬
тур планера на предмет
наличия влаги и отслое¬
ния материала Провер¬
ка систем обогрева и
устранения обледенения
фонаря кабиныПротечки в фюзеляже могут вызвать
проблемы в гидравлических системах,
проникновение влаги приводит к про¬
сачиванию топлива через изоляцион¬
ный материал, что приводит к напрас¬
ной потере топлива в полете и особен¬
но при взлете Более высокое влагосо-
держание приводит к разрушению
конструкцийАвтомобиле¬строениеНеэффективная работа
тормозов, перегретые
подшипники, неодно¬
родное сцепление шин с
дорогой, системы обог¬
рева стекол, узлы двига¬
телей, радиаторЭкономические оценки отсутствуют, Е
случае гоночных автомобилей свое*
временное обнаружение дефектов спо¬
собно предотвратить аварии
АДМИНИСТРАТИВНЫЕ, ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ И ЖИЛЫЕ ЗДАНИЯ2799.1. АДМИНИСТРАТИВНЫЕ,
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ
И ЖИЛЫЕ ЗДАНИЯ9.1.1. Общие сведения. Одним из
основных путей экономии топлива являет¬
ся уменьшение теплопотерь и теплопосту-
ллений через ограждающие конструкции
строительных сооружений, достигающих
до 30 % общих энергопотерьТепловизионное обследование строи¬
тельных сооружений, благодаря своей
оперативности, наглядности и достовер¬
ности получаемых результатов, успело
зарекомендовать себя в качестве одного из
основных способов диагностики ограж¬
дающих конструкций по окончании
строительства и в период эксплуатации
[15, 104, 107-112] Первые систематиче¬
ские исследования в области строительной
тепловизионной диагностики были вы¬
полнены по инициативе фирмы AGA (ны¬
не фирма FLIR Systems) в Швеции и дру¬
гих скандинавских странах, где необходи¬
мость экономии энергии диктуется клима¬
том Аналогичные работы были выполне¬
ны в Германии, Канаде и США, причем,
например, в южных штатах США реша¬
лась обратная задача не допустить про¬
никновение наружного тепла внутрь зда¬
ний.С 1980 по 2000 гг в вышеуказанных
странах выпущен ряд стандартов и мето¬
дических документов по применению теп¬
ловидения в строительстве (см главу 10)В СССР исследовательские органи¬
зации строительного профиля (ВНИИ
строительной физики, НИИ Мосстроя и
др.) выполняли исследования по теплопе¬
редаче в строительных конструкциях и их
тепловизионной диагностике Опыт этих
исследований обобщен в монографии
В-A Дроздова и В И Сухарева [104], а
также в ряде недавних публикаций [15,
ПО]. Тем не менее, в силу невысокой от¬
пускной стоимости энергии и общей низ¬
кой культуры строительства, экономиче¬ская мотивация внедрения ИК-тер-
мографии в отечественное строительство в
доперестроечные годы была низкойСитуация изменилась с переходом к
рыночной экономике, что привело к удо¬
рожанию энергоносителей и обусловило
повышенный интерес к экономии энергии
Непосредственным голчком к интенсифи¬
кации исследований по строительной теп¬
лофизике явилось введение в 1998 г но¬
вой редакции строительных норм и правил
(СНиП II-3-79* "Строительная теплотех¬
ника"), согласно которым теплозащита
строительных сооружений должна быть
усилена приблизительно в 3 раза Невоз¬
можность обеспечить нормируемые пока¬
затели теплозащиты с использованием
традиционных строительных материалов
обусловила разработку новых строитель¬
ных материалов и конструкций, в связи с
чем встал вопрос экспрессной инструмен¬
тальной диагностики показателей тепло¬
защитыАдминистрации ряда городов, взаи¬
модействуя с органами архитектурно-
строительного надзора, все более активно
интересуются тепловидением как инстру¬
ментом решения задач, стоящих перед
жилищно-коммунальным хозяйством ре¬
новации жилья, повышения качества
строительства, оптимизации расходов на
отопление и тп С 1998 г в г Северске
Томской области введена обязательная
100 %-я ИК-термографическая диагности¬
ка сдаваемых в эксплуатацию жилых зда¬
ний Пакет нормативных документов по
энергосбережению в строительстве принят
в гг Москве и Санкт-ПетербургеСогласно методике тепловизионной
диагностики строительных сооружений,
утвержденной Госстандартом РФ (МВИ
№ 1305/442 от 10 01 2001), понятие тепло¬
визионной диагностики строительных со¬
оружений включает• определение частичных и общих
теплопотерь,• обнаружение скрытых дефектов
строительства,
280Глава 9 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ• определение (оценку) сопротивле¬
ния теплопередаче ограждающих конст¬
рукцийОтдельной областью возможного
применения тепловизионной диагностики
является прогнозирование возможных
разрушений строительных сооружений
путем обнаружения "тепловых предвест¬
ников" катастроф Периодически случаю¬
щиеся в России и за рубежом непредска¬
зуемые разрушения зданий, в том числе и
с человеческими жертвами, делают эту
область применения социально значимой
Лабораторные исследования, выполнен¬
ные М Люонгом (Франция), показали, что
при циклическом нагружении бегона тем¬
пературные градиенты могут достигать
нескольких градусов [84] Пример фено¬
менологического подхода к эксперимен¬
тальному анализу катастрофы, произо¬
шедшей в 1997 г в г Томске, описан в
п 9 1 7 В целом, возможность тепловизи-
онного прогнозирования разрушения зда¬
ний с работающей системой отопления
представляется сомнительной ввиду труд¬
ностей обнаружения предвестников ката¬
строф малой амплитуды на фоне много¬
численных тепловых шумов9.1.2. Определение теплопотерь.Нормативными характеристиками жилых
зданий являются расчетная температура
наружного (своя для каждой географиче¬
ской местности) и внутреннего воздуха
(20 21 °С), его относительная влажность
(50 60 %), перепад между температурой
воздуха в помещении и на внутренней
поверхности наружной стены (4 6 °С),
температура на внутренней поверхности
стены, которая должна превышать темпе¬
ратуру точки росы Главной эксплуатаци¬
онной характеристикой зданий являются
удельные энергозатраты на отапливаемой
площади за один отопительный период в го¬
довом цикле, выраженные в кВт ч/(м2 год)На рис 9 1 представлена схема фор¬
мирования теплового баланса здания в
отопительный период годового цикла
[112]Доходная часть обусловлена 1)
пительными приборами, 2) бытовьп^
электрическими приборами, 3) солнечно^
радиациейРасходная часть представлена 1) ^
плопередачей через стены, окна, чердак
ное перекрытие, полы первого этажа;2) дополнительными затратами тепловой
энергии на нагревание в объеме помеще¬
ния инфильтрующегося холодного воздух
ха, 3) энергозатратами на горячее водо¬
снабжение Наибольшая доля теплопотерь
(до 50 %) приходится на инфильтрации
холодного воздуха, основная часть кото,
рого поступает через притворы и неплот¬
ности окон и балконных дверейТепловизионный метод, позволяет
проанализировать работу системы венти¬
ляции, оценить интенсивность инфильт¬
рации воздуха, а также выявить наруше¬
ния теплозащиты ограждающих конст¬
рукций, возникшие в результате следую¬
щих причин• ошибок проектирования,• нарушений технологии изготов¬
ления строительных материалов, правил
складирования, перевозки итп,• ошибок и нарушений технологии
при строительстве зданий,• неправильного режима эксплуата¬
цииПеречисленные факторы приводят к
преждевременному снижению теплоза¬
щитных свойств в отдельных участках
ограждающих конструкций в результате
воздействия погодных (ветер, атмосфер¬
ные осадки) и естественно-климатических,
условий (циклы тепло-холод, влажность).
Это, в свою очередь, приводит к ухудше¬
нию микроклимата внутри зданий и пере¬
расходу топлива на обогрев вследствие
увеличения теплопотерь ИК-термография
позволяет определить пути устранения
ошибок проектирования, в результате ко¬
торых температура в помещениях держит¬
ся на недопустимо низком уровнеТаким образом, тепловизионная ди¬
агностика может служить одним из важ¬
ных инструментов энергоаудита жилых И
АДМИНИСТРАТИВНЫЕ, ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ И ЖИЛЫЕ ЗДАНИЯ281СолнечнаярадиацияТ епл опоступл ения Т еп л опотериВентиляцияЛРис. 9.1. Тепловой баланс здания (адаптировано из |112])производственных зданий, результаты
осмотра являются составной частью энер¬
гетических паспортов зданий, форма ко¬
торых разработана в ряде регионов Рос¬
сии.Тепл опотери ограждающих конст¬
рукций зданий определяют на момент те¬
пловизионной съемки, а затем экстрапо¬
лируют на годовой период с учетом нор¬
мируемой температуры внутри помеще¬
ний, средних климатических условий в
данной местности и длительности отопи¬
тельного сезонаЭкономический ущерб от сверхнор¬
мативных теплопотерь определяют исходя
из их рассчитанных значений с учетом
стоимосш тепловой (электрической) энер¬
гии Очевидно, что сама по себе теплови-
зионная диагностика в состоянии лишь
констатировать распределение теплопо¬
терь в зоне контроля, на основании чегоможно разработать мероприятия по их
снижению (выравниванию) и в после¬
дующем оценить их эффективность На¬
пример, в жилых и производственных зда¬
ниях тепловизионный метод позволяет
оценить эффективносгь оптимизации сис¬
темы теплоснабжения и вентиляцииПри анализе теплопотерь зданий осо¬
бое внимание следует уделять термогра-
фированию окон, поскольку именно через
них теряется большая часть тепловой
энергии Тепловизионное определение
истинной температуры окон требует спе¬
цифических приемов, поскольку на пока¬
зания тепловизора существенное влияние
оказывает угол съемки и отраженное из¬
лучение окружающей среды и Солнца
Применение окон специальной конструк¬
ции, например с покрытиями, можег по¬
требовать отдельного анализа радиацион¬
ной компоненты теплопотерь
282Глава 9 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ9.1.3. Выявление скрытых дефек¬
тов. Основными видами строительных
дефектов, обнаруживаемых с помощью
ИК термографии, являются• места протечек воздуха и воды
(дефектная зачеканка швов с наружной
стороны, отслоения пленки мае гики от
бетонной поверхности, недостаточное об¬
жатие гермша и трещины в растворе и
мастике, дефекты оконных блоков и про¬
емов некачественное уплотнение стен
замазкой, сквозные щели в соединениях
нижних элементов коробок, прерыви¬
стость мастики в устье стыка защелки
okohhoi о блока),• мостики тепла и холода, ухудше¬
ние сопротивления теплопередаче (огсуг-
С1вие теплоизоляции, аномальная увлаж¬
ненность, некачественная кирпичная
кладка, некорректные архитектурные и
сфоительные решения и г п ),• дефектные панели ограждающих
конструкций (нарушения толщины и рас¬
становки утеплителя, адсорбция влаги в
утеплителе, завышение объемного веса
керамзитобегона, оседание угеилителя,
скол края папели),• отслоение штукатурки, облицовки
и дру! их покрытийСовременные тепловизионные сис¬
темы позволяют быстро и точно выявить
дефекшые участки и определить их гра¬
ницы Количественную оценку обнару¬
женных дефектов производят в лабора¬
торных условиях с использованием стан¬
дартного математического аппарата и со¬
ответствующих программных средствОбнаружение скрытых дефектов ос¬
новано на использовании принципа срав¬
нения текущей зоны контроля с эталон¬
ной (бездефектной) зоной Эталонную
зону указывают из технолог ических сооб¬
ражений или определяют в ходе геплови-
зионного осмотра, например, путем оцен¬
ки сопротивления теплопередаче (смГОСТ 26629-85 "Метод тепловизионногоконтроля качества Теплоизоляция ограж-
дающих конструкций") Определение теп.
лопотерь и сопротивления теплопередаче
осуществляют согласно ГОСТ 26254-84
"Здания и сооружения Методы определе¬
ния сопротивления теплопередаче ограж-
дающих конструкций" и СНиП 11-3-79*
"Строительная теплотехника" Тепловизор
используют в качестве средства измерения
поверхностной температуры, а тепловой
поток (коэффициент теплообмена) изме¬
ряют с помощью датчиков теплового по¬
токаОбнаруживать скрытые дефекты
сгроительава тепловизионным методом
можно внутри и снаружи помещений. На¬
ружный осмотр более пригоден для оцен¬
ки общих теплопотерь зданий и сопротив¬
ления теплопередаче, включая анализ эф-
фекжвнос1И архитектурных решений, а
также для выявления существенных де¬
фектов, которые значительно искажают
поверхностное температурное поле Внут¬
ренний осмотр является более детальным
и предназначен для обнаружения, в том
числе незначительных строительных де¬
фектов и анализа теплового режима по¬
мещенийИмеются методики проведения теп-
ловизионной диагностики внутри отдель¬
ных помещений путем локального пони¬
жения давления, например, с помощью
вентилятора, при этом резко возрастает
температурный сигнал, обусловленный
протечками воздуха через стены, и появ¬
ляется возможность отличить протечки от
локального ухудшения теплоизоляцион¬
ных свойств В летнее время при слабом
температурном напоре возможно исполь¬
зование нагревателей для повышения тем¬
пературы внутри помещений, в этом слу¬
чае измерение температуры стен начина¬
ют через несколько дней после начала на¬
грева
АДМИНИСТРАТИВНЫЕ, ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ И ЖИЛЫЕ ЗДАНИЯ283Качество строительства большинства
производственных зданий, в частности,
главных корпусов тепловых станций,
энергообъектов, возведенных в 60-70-е
f0дь1, было невысоким, поэтому по мере
их эксплуатации интенсивно ржавеют ме¬
таллические соединения стеновых пане¬
лей, чт0 может привести к выпадению
отдельных фрагментов стен наружу или
внутрь помещений Интенсивность корро¬
зии связана с промоканием панелей, что
хорошо идентифицируется с помощьютепловидения9.1.4. Оценка сопротивления теп¬
лопередаче. Теоретические аспекты оцен¬
ки сопротивления теплопередаче были
рассмотрены в п 2 7 9 Стационарный
тепловой поток через многослойную пло¬
скую стенку, разделяющую две среды с
температурой Т“ и Т“ш, определяется
следующими соотношениями (рис 9 2)е=-rpQ tji UR1 /i JR = 4 — + — + — 1- —CLln X.| Ao ^3(? = ««, (C-O.Q = *out (C,-C,b(9 1)(9 2)
(9 3)T1 оРис. 9.2. Теплопередача через
многослойную и плоскую стенкугде обозначения соответствуют приве¬
денными на рис 9 2Для характеристики отдельных ком¬
понент сопротивления теплопередаче вво¬
дят следующие понятиятепловое сопротивление погранично¬
го слоя на внутренней и внешней поверх¬
ностиR,„ =1Rout —'1(9 4)термическое сопротивление самой
многослойной стенки (число слоев N)N 1(9 5)где /, - толщина /-го слоя, А,, -коэффициенты теплопроводности слоев
Тогда(9 6)Температуру наружной поверхносж
ограждающей конструкции определяют по
следующей формуле (см также формулу
(2 78))грм _ rpa , RquI ('pair _ rpair \
* out ~ 1 in ' V-* m * out )(9 7)Дефекты ограждающих конструкций
различного типа изменяют термическое
сопротивление стенки на величину AR
При этом на внешней поверхности
конструкции возникает температурный
сигнал амплитудойАТ = ^~ARR R -ARVZ-T%) (9 8)Формула (9 8) означает, что
уменьшение R на величину AR приводит
к появлению положительного сигнала
А Г, те температура наружной стены
возрастает Измеряя АТ с помощью тепло¬
визора, можно оценить изменение терми-
284Глава 9 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯческого сопротивления ограждающей
конструкции ARОграждающие конструкции зданий
могут считаться стационарными только с
той или иной степенью приближения. Чем
больше амплитуда изменения температу¬
ры наружного воздуха в течение суток,
тем выше степень нестационарности тем¬
пературного поля стенки и тем большие
погрешности вносят формулы (9 1 - 9.3) и
(9 8).В ГОСТ 26254-84 "Здания и соору¬
жения. Методы определения сопротивле¬
ния теплопередаче ограждающих конст¬
рукций" формула для определения R
предложена в следующем ввде, аналогич¬
ном формуле (9.1).R = RB+RK+Rn =_ ^В ~~ ^В | ~ Т'Н | ~ > (9*9)
Яфгде RB, RH - сопротивления теплопере¬
даче соответственно внутренней и наруж¬
ной поверхностей;RK - термическое сопротивление од¬
нородной зоны ограждающей конструк¬
ции;tB, tn - средние за расчетный пери¬
од измерений значения температур соот¬
ветственно внутреннего и наружного воз¬
духа;тв, тн - средние за расчетный пе¬
риод измерений значения температур со¬
ответственно внутренней и наружной по¬
верхностей ограждающей конструкции,#ф - средняя за расчетный периодизмерения фактическая плотность тепло¬
вого потока.Значения коэффициентов теплоотда¬
чи на внутренних и наружных поверхно¬
стях измеряют экспериментально с помо¬
щью датчиков теплового потока (приборыпо ГОСТ 7076-78). Использование знач§*
ний ос, рекомендуемых СНиП П-3-79*«^
этом случае нецелесообразно, посколь *
реальные значения, в особенности, ццрмогут значительно отличаться от справо|,
ных. 'лПомимо величины а, другими
торами, влияющими на точность опр/
ления R , являются:1) несоответствие температуры век*
духа в момент измерения ее значениям
предшествующие 8 .. 12 ч;2) нелинейное распределение темпе¬
ратуры внутри ограждающей констр
ции;3) неточное задание коэффициента
излучения.Необходимость выбора периодами#
мерений, когда справедлива формула ста¬
ционарного режима (9.9), превращает о
ределение R в длительную процедуру (до15 дней согласно ГОСТ 26254-84). *В настоящее время используют мно*
гоканальные цифровые датчики темпера
туры и теплового потока с автономным
питанием, которые прикрепляют к ограж¬
дающей конструкции Записанные показа¬
тели анализируют на компьютере с целью
выбора необходимых "стационарных” зна*
чений. ' *Фирмой "ВЕМО" (г Москва) пред¬
ложен алгоритм итеративной оценки R
по нестационарным измерениям темпера¬
туры стены и воздуха за несколько пред-,
шествующих дней, однако данный спосо
не прошел метрологической аттестаций
Той же фирмой предложена методика соз*
дания необходимого температурного на*
пора в летнее время путем подогрева off
дельных помещений здания.В 2001 - 2002 гг. Госэнергонадзором
и Госстроем РФ утверждена комплексна!
методика контроля качества теплоизоля*
ции ограждающих конструкций зданий t
сооружений, разработанная ЗАО "ТТМ*
АДМИНИСТРАТИВНЫЕ, ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ И ЖИЛЫЕ ЗДАНИЯ285(Г, Санкт-Петербург). В данном докумен-
je равно как и в вышеуказанной методи¬
ке, утвержденной Госстандартом РФ, реа-
дезованы нормативные положения тепло-
визионного контроля качества теплоизо-
ляции ограждающих конструкций, стен и
окон, определенные ГОСТ 26629-85,
ГОСТ 26254-84 и ГОСТ 26602.1-99.9.1.5. Контроль за влажностью
кровли крыш. Невидимые глазу скопле-
ил/ воды в кровле плоских крыш произ¬
водственных зданий являются серьезным
дефектом, приводящим к преждевремен¬
ному разрушению кровли и протечкам
внутрь помещений. Например, протечки
воды в турбинный зал тепловой станции,
которые могут произойти в весенний пе¬
риод, в состоянии нарушить юстировку
турбин, а при больших массах воды воз¬
можно обрушение кровли.Аномальная поверхностная влаж¬
ность может быть обнаружена в стацио¬
нарном режиме за счет испарения воды и
соответствующего понижения температу¬
ры* однако вода, скрытая внутри много¬
слойной крыши, может быть обнаружена,
как правило, только в динамическом ре¬
жиме: за счет высокой теплоемкости воды
дефектные участки видны холодными в
дневное время и теплыми ночью.^ Обследования кровли можно прово¬
дить путем обхода крыши с тепловизором,
однако в этом случае производительность
осмотра низка и затруднено получение
общей картины. В США широко исполь¬
зуют тепловизионную съемку плоских
1фыш с воздуха (с борта мотодельтаплана,
вертолета или самолета, в том числе, не¬
пилотируемого). При этом обеспечивают
высокую производительность обследова¬
ния лри сравнительно простой идентифи¬
кации и координатной привязке дефект¬
ных зон.9.1.6. Методические особенности
термографирования строительных объ¬
ектов. Диагностику выполняют снаружи
и/или внутри помещений согласно стан¬дартным методикам работы с тепловизо¬
ром и вспомогательными устройствами.
Температурный напор в контролируемом
строительном сооружении, измеряемый
как разность внутренней и внешней тем¬
ператур воздуха, должен быть не менее
10 °С в течение последних 24 ч (требование
международного стандарта ISO 6781-83
"Теплоизоляция. Качественное выявление
теплотехнических нарушений в ограж¬
дающих конструкциях. Инфракрасный
метод"), что выполняется в течение отопи¬
тельного сезона.Во время съемки изменение темпера¬
турного напора не должно превышать
± 30 % от действительной начальной ве¬
личины; температура воздуха внутри
помещения не должна изменяться более
чем на ± 2 °С, а ограждающие конструк¬
ции не должны подвергаться воздействию
солнечной радиации в течение предшест¬
вующих 12 ч.При определении (оценке) сопротив¬
ления теплопередаче следует руководство¬
ваться требованиями ГОСТ 26254-84, ко¬
торый требует, чтобы продолжительность
периодов с наиболее установившимся ре¬
жимом с отклонением среднесуточной
температуры за этот период в пределах
± 1,5 °С составлял от 1 до 3 суток в зави¬
симости от тепловой инерции ограждаю¬
щей конструкции. Поскольку в россий¬
ских условиях обследования проводят в
основном зимой, особое значение имеет
возможность работать с тепловизором при
низкой температуре окружающей среды.
Метрологические показатели даже луч¬
ших моделей портативных тепловизоров
"плывут" при быстром перемещении при¬
боров из помещения наружу, что требует
их длительной адаптации. В ряде случаев
положительные результаты получают,
проводя измерения из окна автомобиля.Идентификацию объектов на термо¬
грамме рекомендуется производить срав¬
нением термограмм с видимым изображе¬
нием, которое получают с помощью фото¬
аппарата, цифрового фотоаппарата и/или
цифровой (аналоговой) видеокамеры.
286Глава 9 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯПроблема коэффициента излуче¬
ния. При обнаружении скрытых строи¬
тельных дефектов знание коэффициента
излучения объекта является желательным,
но не обязательным, особенно в тех случа¬
ях, когда дефекты обнаруживают на одно¬
родном излучательном фоне (кирпичная
стена, панель, оштукатуренные стены и
т п) Более того, различия в излучатель-
ных свойствах объектов диагностики мо¬
гут служить дополнительными признака¬
ми их идентификации на термограммеПри определении теплопотерь и со¬
противления теплопередаче поправку на
коэффициент излучения объекта следует
вводить, используя соответствующую оп¬
цию тепловизора Связь погрешности за¬
дания коэффициента излучения и погреш¬
ности определения истинной температуры
была описана в п 6 2 4Метеоусловия при тепловизионной
съемке. Тепловизионную съемку не про¬
изводят в дождь, туман, сильный снего¬
пад, а также при наличии снега, измороси
и влаги на контролируемых поверхностях
Погрешность измерений, вносимая выше¬
указанными факторами, возрастает с уве¬
личением расстояния до объектаПрямое и рассеянное солнечное из¬
лучение, особенно в весенне-летний пери¬
од, может нагревать части ограждающих
конструкций и создавать области ано¬
мальной температуры, которые следует
отличать от температурных распределе¬
ний, обусловленных теплопередачей через
ограждающие конструкцииЭффект солнечного нагрева особенно
существен при диагностике крыш На
гладких (глянцевых) поверхностях, на¬
пример окнах, могут возникать солнечные
блики, которые на термограмме выглядят
как зоны повышенной температуры В
большинстве случаев наличие бликов лег¬
ко подтверждают путем перемещения теп¬
ловизора изображение блика будет пере¬
мещаться, в то время как изображение
аномально нагретой зоны останется на
месте Кроме того, на окнах можно на¬
блюдать эффект холодного неба, которыйособенно заметен при безоблачном небе
при визировании которого тепловизор
может показывать температуру до -25 °С.Тепловизионную съемку рекоменду.
ется проводить в предрассветные или ноч¬
ные часы, когда тепловое влияние
окружающей среды минимально в
дневное время наилучшие результаты
получают при пасмурном небеСильный ветер существенно увели¬
чивает теплоотдачу с поверхностей и
снижает их температуру Рекомендуется
проводить тепловизионную съемку при
скорости ветра не более 5 7 м/с При
необходимости учитывать изменение ко¬
эффициента теплоотдачи, например, при
определении сопротивления теплопереда¬
че, следует использовать соответствую¬
щие формулы, рекомендованные теорией
теплопередачиПри определении теплопотерь и со¬
противления теплопередаче следует при¬
нимать во внимание суточный ход темпе¬
ратуры окружающего воздуха В силу раз¬
личной теплоинерционности отдельных
элементов ограждающих конструкций,
соотношение измеренных температурных
значений в любой момент времени может
не соответствовать истинному соотноше¬
нию теплозащитных свойств данных эле¬
ментов Оценку отклонения режима теп¬
лопередачи от стационарного производят ',
согласно ГОСТ 26629-85 Следует отме- '
тить, что при определении сопротивления
теплопередаче согласно ГОСТ 26254-84
метод ИК-термографии не обладает пре¬
имуществами по сравнению со стандарт-
ными средствами измерения температуры
вследствие необходимости выбирать пе^*
риод слабого изменения температуры oi^
раждающей поверхности в течение дли-.
тельного времени ' ^Расстояние до объекта контроля. С
увеличением расстояния до объекта кон* ;
троля возрастает поле обзора, ухудшается
детальность осмотра и искажаются значе^ :
ния истинной температуры за счет погло* ч
щения в атмосфере Последний эффект ч-
несуществен при расстояниях менее 30 м,
АДМИНИСТРАТИВНЫЕ, ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ И ЖИЛЫЕ ЗДАНИЯ287йа которых обычно проводят съемку При
больших расстояниях следует применять
соответствующие поправочные формулы,
учитывающие поглощение излучения в
атмосфере Во многих современных теп¬
ловизорах такую коррекцию можно осу¬
ществить непосредственно в приборе для
стандартного состояния атмосферы и за¬
данного расстояния до объекта контроляУсловия внутри помещений. При
прочих равных условиях один и тот же
дефект строительства (протечка воздуха,
мостик холода), как правило, лучше обна¬
руживается при осмотре внутри помеще¬
ния, за исключением случаев, когда ана¬
лизируемый феномен, например металли¬
ческий вкладыш, располагается вблизи
наружной поверхности Основными ме¬
шающими факторами при таком осмотре
являются1) наличие вентиляторов и нагревате¬
лей,2) экранировка зон контроля мебе¬
лью, коврами и другими предметами,3) отслоение обоев, штукатурки итп,4) неравномерная окраска зоны кон¬
троляРадиационное влияние нагревателей
можно устранить их экранированием теп¬
лонепроницаемыми предметами (напри¬
мер, используя полиэтилентерефталатную
металлизированную пленку типа ПЭТФ-С
или ПЭТФ-Н согласно ГОСТ 26629-85)
или правильным выбором зоны и ракурса
съемкиПри термографировании оконных
стекол может возникать эффект отражения
близстоящих источников теплового излу¬
чения, включая людей, в стекле, при этом
оператор видит слабое отраженное изо¬
бражение указанных источников на тер¬
мограмме Еще более сильное влияние
оказывает отраженное солнечное излуче¬
ниеТермографирование полупрозрачных
объектов, таких как диэлектрические
пленки, оконные стекла и т п, требуетиспользования специальных методических
приемов, которые должны разделять эф¬
фекты теплопередачи от чисто оптических
эффектов Например, на оконных стеклах
целесообразно размещать самоклеящуюся
пленку любого цвета и измерять ее темпе¬
ратуру Предметы, экранирующие стены и
стыки, целесообразно удалить Расслоения
между декоративными покрытиями и
штукатуркой, а также между основной
стеной и штукатуркой могут сами по себе
расцениваться как дефектыВлияние неоднородного распределе¬
ния коэффициента излучения по зоне кон¬
троля можно учесть путем визуального
осмотра, а также введением соответст¬
вующих поправок в установки тепловизо¬
ра Не рекомендуется проводить измере¬
ние температуры поверхностей с коэффи¬
циентом излучения ниже 0,7 (ГОСТ
26629-85) Влияние величины коэффици¬
ента излучения велико при визировании
металлических, в особенности блестящих,
поверхностей Большинство строительных
материалов, а также металлы, покрытые
слоем ржавчины, грязи и пыли, обладают
достаточно высоким значением коэффи¬
циента излучения для выполнения изме¬
рений с требуемой точностью (± 1 °С)Качественная и количественная
оценка результатов. Классификацию
обнаруженных тепловых аномалий дол¬
жен производить обученный оператор -
термограф ист, имеющий соответствую¬
щую лицензию и уровень квалификации
не ниже П-го по системе Госгортехнадзо¬
ра Наилучшие результаты достигают при
использовании результатов в виде цвет¬
ных и черно-белых термограмм, анализ
которых оператор производит на основе
своего опыта и критериев, изложенных
нижеПредпочтительность использования
цветного изображения перед черно-белым
зависит от объекта контроля, применен¬
ной палитры и опыта оператора Черно¬
белые изображения имеют более естест¬
288Глава 9 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯвенный вид и наиболее пригодны, когда
тепловую аномалию обнаруживают на
фоне множества "тепловых отпечатков",
носящих шумовой характер Черно-белые
изображения легче интерпретировать, чем
цветные, при наличии отраженной сол¬
нечной засветки Цветное представление
термограмм эффективно, если анализи¬
руемая тепловая аномалия отличается не¬
значительно по температуре от окружаю¬
щего температурного фона Цветные тер¬
мограммы также являются более нагляд¬
ными при документировании результатов
Широко распросграненная в настоящее
время цветная палитра цветов каления
(Iron) является компромиссной между
черно-белым и цветным представлением
гермограмм• При качественной оценке тепло¬
вых аномалий (анализе термограмм де¬
фектов) решающими факторами являются
сведения о тепловом режиме здания, опыт
оператора и вид изображения соседних
зон, на фоне которых обнаруживается
данная аномалияКоличественную оценку тепловых
аномалий проводят с целью оценить сте¬
пень их опасности для нормального функ¬
ционирования здания При этом значения
средних температур иола, стен и потолка
внуфи помещений должны соответство¬
вать нормам СНиП II-3-79* Степень
опасности обнаруженных аномалий оце¬
нивают• по дополнительным потерям тепла
через дефект,• по несоответствию измеренных
значений сопротивления теплопередаче
требованиям СНиП 11-3-79*,• по возможным последствиям раз¬
рушения ограждающей конструкции
вследствие дефекта (сдвиг точки росы
внутрь стены, коррозия материала стены,
повышение влагоироницаемости и сниже¬
ние за счет этого качества теплозащиты и
г и ),• по дискомфорту внутри помещенияСоотношения между степенью опас
ности аномалий и экспериментально на*
блюдаемыми температурными перепада^
в местах тепловых аномалий не регламен
тированы ввиду отсутствия необходимы*
статистических сведений Сами амплиту¬
ды температурных перепадов должны
нормироваться на температурные напорц
поскольку, например, понижение темпера¬
туры в зоне межпанельного шва на 1 °р
при температуре наружного воздуха О °с
свидетельствует о значительно более
серьезном дефекге, чем такой же перепад,
обнаруженный при температуре наружно-
го воздуха -20 °С9.1.7. Примеры гермограмм. Осо¬
бенности тепловизионной диагностики
строительных сооружений проиллюстри¬
рованы термограммами на рис 9 3
9 13 (См цветную вкладку )Идентификацию и привязку дефект¬
ных участков целесообразно делать со¬
вмещением ИК и видимого изображения,
как это показано на рис 9 3, для чего
можно применять такие простые графиче¬
ские редакторы как Microsoft PamtТепловизионная съемка индивиду¬
альных жилых домов позволяет оценить
качество теплозащиты и идентифициро¬
вать зоны основных утечек тепла для по¬
следующего ремонта (рис 9 4)На 1ермограмме рис 9 5, а виден де¬
фект вертикального шва в жилом кирпич¬
ном доме с температурным градиентом на
наружной поверхности до 3 °С Теплови-
зиониая оценка состояния швов по резуль¬
татам наружной съемки является непро¬
стой задачей из-за малой амплитуды тем¬
пературных аномалий В ряде случаев ре¬
комендуется дополнить наружное обсле¬
дование съемкой внутри помещений, как
это показано на рис 9 5, б, при этом тем¬
пературный градиент в зоне того же само¬
го дефекта (рис 9 5, а) составляет 8 °С
(следует обратить внимание на то,
кухонная мебель частично затеняет шов
при внутренней съемке)На термограмме рис 9 6 показан
шов, обследованный перед оштукатурй-
АДМИНИСТРАТИВНЫЕ, ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ И ЖИЛЫЕ ЗДАНИЯ 289Рис. 9.12. Съемка плоской кровли производственною корпуса
с борта самолета: светлые области на 1ерм(нрамме соответствуют влажным участкам(с разрешением фирмы Stockton Infrared Services. Inc )ванием стены, температурная аномалия в
этом случае составила 11 °СПример реализации принципа актив¬
ного ТК приведен на рис 9 7, где вследст¬
вие натекания холодного атмосферною
воздуха расслоение между декоративной
штукатуркой и основной стеной видно в
виде обширной холодной зоны темною
цвета с амплитудой температурною сиг¬
нала около 2 °С В других подобных слу¬
чаях закрытое расслоение может характе¬
ризоваться локальным перегревом из-за
солнечного нагрева Преимущество гепло-
визионного контроля состоит в возможно¬
сти оценить величину дефектных зон и
принять решение либо об их "лечении",
либо об обрушении отслоившейся штука¬
турки и нанесении нового слоя Анало¬
гичные принципы диагностики использо¬
ваны при контроле настенных фресок (смп. 9.2)На рис 9 8 представлена термограм-
фасада административного здания со
сплошным остеклением, на которой от¬
четливо виден перегрев четвертого этажа(средняя температура +4,7 °С) по сравне¬
нию со вторым эгажом (средняя темпера¬
тура -2,1 °С), температура окружающего
воздуха на момент съемки была -4,0 °С
Оптимизация разводки системы отопления
в таком здании можег обеспечить эконо¬
мию до 20 % тепловой энергииТермограмма на рис 9 9 выявляет
существенные сквозные дефекты двух
вертикальных швов между стеновыми
панелями главного корпуса котельной
Как отмечалось выше, панельные здания
являются удачным объектом для теплови-
зионной съемки, которая может служить, в
том числе, и инструментом судебной экс¬
пертизы Пример термограммы торца жи¬
лою здания с многочисленными дефекта¬
ми межпанельных швов показан на рис9 10, а, соответствующая бинарная карта
дефектов, полученная путем анализа тер¬
мограммы, представлена на рис 9 10, б
Диагностика кровли крыш проиллю¬
стрирована рис 9 11. 9 12 При визуаль¬
ном осмотре контраст зон повышенной
влажности по сравнению с бездефектными
участками невелик даже в случае поверх-*0-607
290Глава 9 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯностной влаги, а обнаружение скрытых
"водяных карманов", как правило, невоз¬
можно в принципе (рис 9 11, а) При пра¬
вильно выбранном времени тепловизион¬
ной съемки, за счет высокой теплоемкости
воды, зоны скопления внутренней влаги
видны теплыми в вечернее время и холод¬
ными в первую половину дня (рис 9 11,б) При внутренней съемке такие зоны
видны холодными (см термограмму на
рис 9 11, в, полученную с нулевой отмет¬
ки турбинного зала одной из ГРЭС, тем¬
пературный градиент в этом случае соста¬
вил 8 °С)Панорамная термограмма плоской
крыши, полученная с борта самолета,
представлена на рис 9 12 Многочислен¬
ные влажные участки кровли надежно
идентифицируются в виде теплых пятенНа рис 9 13 представлены результа¬
ты двух тепловизионных съемок разру¬
шившегося 17 июля 1997 г здания казар¬
мы Томского Высшего Военного Команд¬
ного Училища Связи (ТВВКУС) Первая
съемка выполнена 25 июля, те спустя8 дней после катастрофы при благоприят¬
ных погодных условиях (отсутствие ветра,
дождя и прямой солнечной засветки раз¬
валин в течение нескольких дней) fill]
Неожиданным результатом обследования
явились слабые локальные повышения
температуры, обнаруженные в 5 из 24-х
стыков сохранившихся ригелей перекры¬
тия и вертикальных колонн Амплитуда
этих сигналов изменялась от 0,8 до 1,5 °С,
в то время как шумовые флуктуации
температуры, в том числе и в зонах пе¬
реходов от штукатурки к оголившейся кир¬
пичной кладке, составили только 0,3 °С
(рис 9 13, а)Поскольку изменения излучательных
свойств материалов, равно как и возмож¬
ный эффект "черного тела", характерный
для ниш и углублений, пришлось отбро¬
сить в качестве вероятной причины обна¬
руженных тепловых аномалий, другими
объяснениями были возможные процессыгидратации строительных материалов идц
аномальные механические нагрузки, j
пользу последних говорил также тот фа^
что спустя 1 месяц (26 августа 1997
указанные аномалии исчезли (снизились
до шумового уровня) (рис 9 13, б). Ваящ0
отметить, что повторная съемка имед$
место при практически идентичных по*
годных условияхСпецифическим строительным объ¬
ектом являются взлетно-посадочные поло,
сы и другие дорожные покрытия аэродро.
мов В работе [ИЗ] показано, что, при ис¬
пользовании солнечного нагрева возмо¬
жен оперативный контроль больших по*
верхностей с целью выявления трещин и
пустот, возникших в результате старения.
При этом инспекцию следует проводить в
солнечный день на сухих поверхностях.
Основным недостатком метода авторы
считают невозможность оценить глубину
и толщину трещин и пустот, поэтому в
качестве дополнительной техники пред¬
ложено использовать георадар с излуче*
нием частотой 1 2,5 ГГц, проникающим
в землю (ground penetrating radar)Аналогичный вариант ИК термогра¬
фической съемки используют при выявле-
нии расслоений в дорожных покрытиях
мостов (величина температурного гради¬
ента достигает 2 5 °С) Данная техника
описана в американском стандарте ASTM
D4788 Тепловизор устанавливают на ав¬
томобиль, движущийся со скоростью16 км/час ИК-термограммы записываю!
на видеопленку и параллельно ведут ви-
деозапись для того, чтобы при последую¬
щем сравнении данных по двум каналам
исключить поверхностные помехи (за¬
платки и т п ) Службы контроля мостов
на Западе рассматривают ИК-термо-
графию как привлекательный метод, хот!
его эффективность зависит от погодных
условий и состояния покрытия В качеств^
недостатка упоминается невозможность
определить глубину залегания дефектов,
АКТИВНЫЙ ТК ПРОИЗВЕДЕНИЙ ИСКУССТВА291которые могут быть как между асфальтом
бетоном, так и глубоко в армированном
бетоне Дополнительная георадарная
съемка хорошо дополняет ИК-термо-
ию и в этом случаефирма Astec Industries (США) сооб-о применении портативного тепло¬
визора для контроля качества укладки ас-
Известно, что температура ас-
должна находиться в определен¬
ных границах, выход за пределы которых
приводит к преждевременному разруше¬
нию дорожного покрытия На выполнение
"заплаточного" ремонта на автострадах
США федеральные власти расходуют от
300 до 400 миллионов долларов в год, в то
время как на местном уровне расходы уд¬
ваиваются, и ИК-термография может стать
средством снижения этих расходовНа российских железных дорогах од¬
ной из важных проблем является своевре¬
менное обнаружение начальной стадии
разрушения опор линий тяговой сети, в
особенности, если речь идет о подземной
части опор Обычно эту проблему решают,
используя метод акустической эмиссии
Тем не менее, в работе [114] сообщается о
тепловизионных исследованиях, выпол¬
ненных электрической компанией Румы¬
нии RENEL Установлено, что солнечный
нагрев железобетонных опор позволяет
выявить дефектные зоны, образующиеся
как вследствие низкого качества строи¬
тельства, так и в результате старения9.2. АКТИВНЫЙ ТК
ПРОИЗВЕДЕНИЙ ИСКУССТВА9.2.1. Общие сведения. Во многих
странах все большее внимание уделяют
сохранению художественных ценностей
старины, включая памятники архитекту¬
ры, скульптуры и живописи В течение
многих лег существует соответствующая
программа ЮНЕСКО, а в ряде стран, та¬
ких как Италия, Франция, Германия, вы¬полняются национальные программы и
проводятся конференции по разработке
методов диагностики и реставрации объ¬
ектов, представляющих мировую цен¬
ность При этом широко используют ме¬
тоды НК, прежде всего оптические ИК-
термография находит свою нишу в иссле¬
дованиях памятников архитектуры и про¬
изведений искусства Диапазон возмож¬
ных применений теплового метода велик
от аэросъемки археологических раскопок
с целью обнаружить скрытые структуры
до анализа отдельных частей скульптур с
целью подтвердить аутентичность мате¬
риала или установить факт поздней рес¬
таврации В исследованиях применяют
принципы как активного ТК, гак и обыч¬
ную ИК-съемку [115-121]В работах [115-119] описаны иссле¬
дования по ИК-термографической диагно¬
стике настенных фресок и других предме¬
тов искусства, выполненные в Италии
Томским НИИ интроскопии в кооперации
с Институтом Холодильной Техники
ITEF-CNR Были использованы процеду¬
ры обработки экспериментальных данных,
заимствованные из активного ТК-мате-
риалов и изделий, а также строительства и
поиска заглубленных минДанная область применения ТК ха¬
рактеризуется следующими особенностя¬
ми1) многие старинные произведения
искусства, такие как фрески Микеландже¬
ло, Джотто, Фоголини и других мастеров,
являются бесценными, и применяемые
методы контроля должны быть действи¬
тельно неразрушающими (например, при
использовании активного ТК недопустим
перегрев фресок),2) характерные глубины залегания
дефектов типа расслоений, воздушных
полостей и инородных включений нахо¬
дятся в пределах от нескольких милли¬
метров до нескольких сантиметров, по¬
этому характерные времена теплопереда-
292Глава 9. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯчп велики, н последовательности термо-
грамм можно накапливать с относительно
большим интервалом времени;3) произведения искусства (картины,
иконы, фрески) весьма неоднородны в
оптическом и, зачастую, в теплофизиче¬
ском смысле, поэтому уровень шумов,
особенно при оптическом нагреве, весьма
высок, чю требует повышенного внима¬
ния к процедурам обработки данных.9.2.2. Настенные фрески. Типичная
настенная фреска представляет собой
многослоГп1)ю композицию, включающую
слои наружной краски, внедренной в ос¬
нову (штукатурку), слон специальной
штукаг)ркп (называемой в Италии arricio),
связующий слой (моПаг) и поддерживаю¬
щую стену. Наиболее опасными дефекта¬
ми являюк'я отслоения штукатурки, ти¬
пичная то шина которой составляет 0,5 ...1 см, о г стены, поскольку развитие таких
дефектов может привести к разрушению
фрески.Сущее 1вует способ локальною "ле¬
чения" фресок, заключающийся во введе¬
нии свя*>ющсго вещества в дефектные
полосги с помощью шприца, что требует
точного указания дефектных зон. Для теп¬
ловой стимуляции фресок используют
главным образом слабый нагрев с помо¬
щью оптических источников пли потока
воздуха в течение нескольких минут, в
результате чего температура поверхности
фресок П0вышас1ся не более чем на 5 ...10 °С относительно окружающей среды
[115,118].Ал г орит мы контроля отрабатывали
на стандартных образцах фресок, которые
содержали дефекш, типичные для ста¬
ринных настенных фресок [119]. Пример
такого образца, названною "Голова Апол¬
лона", изображен на рис. 9.14, а. Дефекты
№ 1 и 4 представляли собой пластины губ¬
чатого материала, размещенные между
слоями штукатурки в процессе ее отвер¬ждения; дефектами № 2 и 3 являлись щ
душные полости. Параметры дефект
приведенные в табл. 9.2, были оцене^
методом голографической интерфер0Ме1
рни и тепловой томографии.Образец нагревали в течение 30 с on
тнческим излучением с плотностью м0щ*
пости около 1 кВт/м2, полное время аналц
за процесса было равно 900 с, в течение
которых записывали до 300 термограф
Предшествующие эксперимент показали!
что воздушные расслоения могут бьщ
обнаружены за штукатуркой толщиной до3 см в случае благоприятных условий кон-
троля: однородной поверхности и равно¬
мерного нагрева.Наличие неоднородно окрашенных
зон фрески делает оптический нагрев ма¬
лоэффективным, поскольку зоны темного
цвета, поглощая бопьше с вс твой энергии,
выглядят па термограммах теплыми и мо¬
гут быть ошибочно идентифицированы в
качестве дефектов.В то же время зоны белого цвета на¬
греваются слабо, и кочпчсства поглощен¬
ной энергии может быть недостаточно для
обнаружения дефектов на требуемой глу¬
бине.Кроме гого, наличие резких границ
перехода между темными и светлыми зо¬
нами приводит к существенным тепловым
потокам, распространяющимся в попереч¬
ном направлении, что может создавать
артефакты, например, при использовании
метода тепловой томографии.Вышесказанное иллюстрирует термо¬
грамма на рис. 9.14, б, соответствующая
оптимальному времени контроля т = 270 с.
Зона "глаза", равно как и зона между Д6*
фектами № 3 и 4, может быть расценена
как содержащая дефект, хотя она просто
поглощает больше оптической энергии в
силу темною цвета.Дефект № 2 надежно выявляется, по¬
скольку он расположен под темной зоной
Совместное проявление скрытых дефекта
и поверхностных помех хорошо видно н:
максиграмме рис. 9.14, в.
АКТИВНЫЙ ТК ПРОИЗВЕДЕНИЙ ИСКУССТВА293о)ЖжштшйШв)г)Рис. 9.14. ТК ciaiuapinoio образца насiепной фрески "Голова Аполлона" 1119]:а-фотография образца и схема расположения дефектов, 6 - термограмма, время контроля
270 с (опгимапьпый момент наблюдения, S - 0,8), а- максиграмма (получено из исходной
последоватетыюсги, S - 1,5), ^ - макенграмма (трехмерная нормализация, S - 3,4)Рис. 9.15. Тепловая io\ioiрафия ciaiuapinoio образца фрески
"Голова Аполлона" |П9):я-стандартная томограмма слоя с четырьмя дефектами, о - томограмма слоя с дефектом JV« 1
(после грех мерной нормализации), в - томограмма слоя с дефекгамм № 2, 3, 4
(после трехмерной нормализации)
294Глава 9 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ9.2. Параметры дефектов в образце фрески (рис. 9.14, а)№ дефектаПоперечные
размеры, ммГлубина залегания,
ммТолщина,мм135x3533245x301010345x3075445x451015Наилучшим алгоритмом обработки
результатов ТК фресок такого типа была
признана трехмерная нормализация, опи¬
санная в п 5 9 При анализе образца фре¬
ски в качестве маски была выбрана исход¬
ная термограмма при 10 с Полученная
после фильтрации максиграмма показана
на рис 9 14, г, где артефакты, обусловлен¬
ные поверхностными шумами, сущест¬
венно подавленыДругой пример развитой компьютер¬
ной обработки данных приведен на
рис 9 15 Представлены бинарные карты
дефектов, позволяющие также оценить
поперечные размеры дефектов Изображе¬
ние, полученное на основе таймограммы
без трехмерной нормализации, содержит
артефакты, соответствующие темным (пе¬
регретым) областям (рис 9 15, а), в то
время как после фильтрации обнаружива¬
ются даже "слабые" дефекты, отчетливо
видные на двух последовательных тепло¬
вых томограммах рис 9 15, б, вПреимущества трехмерной нормали¬
зации Moi ут быть выражены количествен¬
но с использованием отношения сиг¬
нал/шум S (рис 9 15) В качестве сово¬
купной дефектной области были рассмот¬
рены зоны, соответствующие четырем
дефектам, тогда как вся остальная поверх¬
ность образца была принята бездефектной
Применение трехмерной нормализации
повысило S более чем в 2 разаРезультаты ТК фрески Фоголино в
г Бергамо (Италия) представлены на
рис 9 16 (См цветную вкладку) В ре¬
зультате контроля по фрагментам былавыделена зона (рис 9 16, а) Термограмма
данной зоны, соответствующая концу на¬
грева (рис 9 16, б), существенно неодно¬
родна, что обусловлено структурой фре¬
ски В момент оптимального наблюдения
гермо1рамма является более однородной и
содержит слабый отпечаток внутреннего
дефекта (рис 9 16, в), который отчетливо
виден на томограмме слоя (8,1 9,3 мм),
соответствующего толщине основного
слоя штукатурки (рис 9 16, г), при этом
термограмма рис 9 16, б использована в
качестве маски трехмерной нормализации.9.2.3. Иконы на дереве. (Рис 9.17 —9 20 см на цветной вкладке) Иконы, как
и фрески, представляют собой многослой¬
ные композиции, неоднородные в оптиче¬
ском смыслеНапример, стандартный образец ико¬
ны на дереве (рис 9 17), был изготовлен
согласно древним итальянским рецептами
включал 4 дефекта в виде фторопластовой
пленки, расположенной между различны¬
ми слоями [121] В процессе ТК дефекты
получили следующие наименования:
№ 1 - "Пузырьки", № 2 - "С1ержень\
№ 3 - "Точка" и № 4 - "Слеза" Некоторые
результаты развитой обработки данных
были рассмотрены в п 5 8 1 при описаний
способа полиномиальной аппроксимации.Вышеописанный образец иконы ис¬
пытан другими специалистами с исполь¬
зованием методов ширографии (shearogra'
phy), спекл-интерферометрии (speckle
pattern interferometry), спекл-декорреляций
(speckle de-correlation) и И К-термографий
ДЫМОВЫЕ ТРУБЫ295ri9fll В отношении ИК-термографии был[делан вывод1) изображения дефектов обладают
средним качеством,2) стоимость аппаратуры относи¬
тельно высока,3) метод легко применим в условияхa situНесмотря на имевшуюся информа¬
цию о скрытых дефектах, оставались со¬
мнения в отношении того, насколько ре¬
альные размеры дефектов соответствовали
запланированным (например, опьп кон¬
троля углепластиковых композитов пока¬
зал, что куски фторопластовой пленки
сопровождаются воздушными промежут¬
ками между дефектом и основным мате¬
риалом, в результате чего возмущающее
действие дефекта усиливается) Например,
тепловизионная оценка дефекта "Стер¬
жень" составила 37 х 7 мм, тогда как дан¬
ные изготовителя были 28 х 4 ммОбразец нагревали в течение 3 5 с с
помощью трубчатых кварцевых ламп, что
обеспечило около 300 Вт/м2 поглощенной
мощности Термограммы записывали с
частотой от 10 до 50 Гц в течение 60 с с
помощью тепловизионной системы Ther-
maCam SC3000 Наибольшее число термо¬
грамм в последовательности достигало
3000, что позволило эффективно приме¬
нять преобразование ФурьеДля обрабогки результатов применя¬
ли все основные алгоритмы, разработан¬
ные для импульсного ТК тепловую томо¬
графию, фазовую термографию, полино¬
миальную аппроксимацию, статистиче¬
ский анализ и дрДефект "Слеза" не был вообще обна¬
ружен, по-видимому, в силу того, что глу¬
бина его залегания превышала предель¬
ную глубину обнаружения воздушных
Дефектов в данном образцеОптимальное исходное изображение
(рис. 9 18, а) характеризовалось отноше¬
нием сигнал/шум S = 1,29, причем наи¬
больший вклад вносил дефект "Стержень",
а видимость" двух других дефектов была
низкой Следовало ожидать, что все тридефекта будут обнаружены оптимальным
образом в максиграмме, что доказывается
изображением на рис 9 18,6(5= 3,51)
Карта дефектов, полученная по макси¬
грамме, показывает дефекты с вероятно¬
стью Рс j = 80 % и Pf а =- 3 % (рис 9 18,в)При оптимизации по дефекту "Точка"
максимальное значение отношения сиг¬
нал/шум было получено в изображении
полиномиального коэффициента А^
(рис 9 19, а, S = 5,79) Результирующая
карта дефекга характеризовалась PLj= 100 %
и Р1а = 3 % (рис 9 19, 6) Следует отме¬
тить, что в оптимальном по данному де¬
фекту исходном изображении величина
S= 1,2На рис 9 20 приведены тепловые то¬
мограммы, показывающие три вышеупо¬
мянутых дефекта в различных слоях изде¬
лия Видно, что дефект "Пузырьки" распо¬
ложен в слое 0,3 0,8 мм, поэтому его
температурный отпечаток начинает появ¬
ляться уже на стадии нагрева9.3. ДЫМОВЫЕ ТРУБЫ9.3.1. Общие положения. Теплови-
зонную диагностику дымовых труб (ДТ)
осуществляют с целью определения их
технического состояния в процессе экс¬
плуатации, прогнозирования периода без¬
отказной работы до следующей проверки,
определения объема и места приложения
ремонта, а также для оценки качества вы¬
полненных ремонтных работМетодические аспекты гепловизион-
ной диагностики ДТ и строительных со¬
оружений весьма сходны Обследования
ДТ проводят в любое время года, посколь¬
ку температурный напор, как правило,
превышает 100 °С, тем не менее, расшиф¬
ровка результатов контроля оказывается
даже более сложной, чем в строительстве,
из-за многообразия конструкций ДТ, от¬
сутствия доступа внутрь грубы на момент
съемки и частом отсутствии сведений о
ряде параметров, необходимых для моде¬
лирования теплопередачи в стволе ДТ,
296Г пава 9 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯнапример, температуре газа и ее измене¬
нии по высоте ДТОснования для проведения теплови¬
зионной диагностики ДТ и газоходов из¬
ложены в РД 34 21-562-93, СП 13-101-99,
методике Госстндарта РФ (МВИ
№ 11/442 от 6 03 2002) и ряде публикаций
Дополнительные сведения по устройству
ДТ, теплотехническим расчетам и методи¬
ческим аспектам гепловизионной диагно¬
стики можно найти в [122-126]Высокая информативность теплови¬
дения при обнаружении скрытых дефек¬
тов ДТ была отмечена В А Дроздовым и
В И Сухаревым еще в 80-е годы [104],
однако тогда тепловой метод не нашел
широкого распространения Обьем прак¬
тических работ по инспекции ДТ непре¬
рывно возрастет, чему способствует ряд
причинВо-первых, мноше ДТ, построенные
в 60-70-е годы прошлого века, близки к
исчерпанию своего рабочего ресурса и
треб>ют тща1ельного обследованияВо-вторых, большинство ДТ в по¬
следние годы работают с недогрузом, т е
к ним подключено меньшее число котлов,
чем это предусмотрено проектомВ-третьих, многие предприятия пе¬
решли на газовое юпливоДействие двух последних факторов
приводит к тому, что эксплуатационные
параметры изменяю 1ся по сравнению с
проектными, в частности, изменение тем-
nepaiypbi таза часто приводит к смещению
точки росы внутрь ствола ДТ и усилению
коррозионных процессовДымовые трубы и газоходы электро¬
станций должны подвергаться наружному0CM0ipy 1 раз в год - весной Внутреннее
обследование дымовых груб должно про¬
изводиться через 5 лет после их ввода в
эксплуатацию, а в дальнейшем по мере
необходимости, но не реже 1 раза в 15 лет
Внутреннее обследование груб с кирпич¬
ной и монолитной футеровкой может быть
заменено тепловизионным, с частотой
обследования не реже 1 раза в 5 летСогласно CII 13-101-99, на всех мс*.
нолитных железобетонных трубах высо,
той более 100 м, а также кирпичных и ме
таллических трубах высотой более 70 м
работающих в условиях высоких темпера!
тур (более 300 °С) или сильной газовой
агрессии, рекомендуется раз в 5 лет про*
водить гепловизионный контроль в цедд
получения данных о состоянии их футеро-
вок Основное внимание при обследова¬
нии уделяется как визуальному осмотру
состояния трубы с земли с помощью би¬
нокля, так и тепловизионной съемке, осу.
ществляемой как минимум с 4 точек по
всей высоте трубы и по периметру с по¬
следующей записью на PCMCIA карту,
флэш- карту или видеомагнитофонную
лентуВажно отметить, что гепловизионная
сьемка должна дополняться натурной,
поскольку многие виды дефектов, влияю-
щие на несущую способность ствола, не
выявляются при тепловизионной диагно¬
стике9.3.2. Дефекты дымовых труб. Ос¬
новные дефекты ДТ являются результатом
низкого качества сфоительства и эксплуа¬
тации в непроектном режиме со снижени¬
ем объема и температуры дымовых газов
из-за наличия неплотностей по тракту ко¬
тел - дымовая ipy6a, нарушений тепло¬
изоляции и образования конденсата, раз¬
рушающего строительные материалыХарактерными дефектами ДТ со
стволом из кирпича являются• сквозные и несквозные вертикаль¬
ные и горизонтальные 1рещины,• разрушение кладки в результате
попеременного замораживания и оттаива¬
ния,• нарушение сцепления кирпича и
раствора кладки от сернокислотной корро¬
зии,• расширение кирпичной кладки
(бочкообразность) между бандажными
поясами,• деформация верхней части труби
(крен) вследствие сульфатации кирпичной
кладки
ДЫМОВЫЕ ТРУБЫ297В железобетонных трубах разнооб-
ные дефекты возникают в стволе, фу-
еповке и теплоизоляции Тегшовизионная
аГностика позволяет классифицировать
эти дефекты, в основном либо в виде сни¬
жения сопротивления теплопередаче ство¬
ла (оседание утеплителя, разрушение фу¬
теровки, намокание железобетона), либо в
виде присосов атмосферною воздуха
(трещины ствола и повышенная порис¬
тость швов бетонирования)Преимуществами тепловизионного
метода обследования ДТ и газоходов по
сравнению с визуальным осмотром явля¬
ются следующие возможности• обследовать объекты без останова
котлов,• обнаруживать дефекты, скрытые
для глаз, в частности дефекты в слое теп¬
лоизоляции и внутренние трещины,• классифицировать дефекты по сте¬
пени их опасности для теплотехнического
состояния Д1 и газоходовОграничения тепловизионного мето¬
да связаны• с трудностями расшифровки ИК-
изображений и их привязки к специфиче¬
ским видам дефектов,• с трудностями осмотра верхней
части грубы из-за ограниченного угла зре¬
ния и крутого угла осмотра (устраняют
путем удаления тепловизора от ДТ и при¬
менением узкоугольной оптики),• с нагревом ДТ по образующей и на¬
личием отраженного излучения вследст¬
вие солнечной радиации (устраняют, про¬
изводя осмотр ДТ рано утром, поздно ве¬
чером или в пасмурный день)9.3.3. Иллюстрации. (Рис 9 21 -9 25см. цветную вкладку) При составлении
отчета по результатам тепловизионной
инспекции ДТ используют как одиночные,
так и панорамные термограммы, причем в
последнем случае их получают с помощью
средств компьютерной графики Примеры
панорамных термограмм показаны на
Рис 9 21Применение термографии для диаг¬
ностики металлических груб, как правило,
неэффективно, за исключением футеро¬
ванных труб В частности, на рис 9 21, а
хорошо видно разрушение верхней части
футеровки металлической трубы нефте¬
химического предприятия В кирпичных
трубах преобладающим видом дефектов
являются присосы атмосферного воздуха
через трещины ствола (см пример термо-
траммы трубы с многочисленными дефек¬
тами на рис 9 21, б) Наиболее разнооб¬
разны дефекты в железобетонных трубах
Следует отличать локальное ухудше¬
ние теплозащиты ствола, например, вслед¬
ствие оседания или разрушения минерал-
вагных плит, от круговых теплых зон,
обусловленных конструкцией трубы в
районе слезниковых рядов (см термо¬
граммы на рис 9 21, в и рис 9 22) Швы
бетонирования, как правило, выглядят в
виде холодных колец вследствие повы¬
шенной пористости бетона Иногда такие
зоны распространяются на значительные
площади, что свидетельствует о низком
качестве бетонаС помощью термографической диаг¬
ностики можно оценить качество ремонта,
которое може1 казаться удовлетворитель¬
ным при визуальном осмотре Такой слу¬
чай изображен на рис 9 23, где ИК-
термограмма наложена на фото1 рафию
кирпичной трубы, в которой был выпол¬
нен ремонт вертикальной трещины Тер¬
мограмма наглядно иллюстрирует наличие
присосов воздуха через отремонтирован¬
ную трещинуТермограмма зоны примыкания газо¬
хода к стволу железобетонной ДТ
(рис 9 24) иллюстрирует два типа харак¬
терных дефектов ухудшение теплозащи¬
ты и присос атмосферного воздуха Износ
внутренней футеровки металлического
газохода, наиболее сильный в зоне выхода
газа из котла в газоход, показан гермо¬
граммой на рис 9 25
298Глава 9 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ9.4. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ
УСТРОЙСТВАЭлектроэнергетика является одной из
областей наиболее успешного применения
тепловидения, поскольку обнаруживаемые
температурные градиенты могут достигать
десятки градусов, что существенно облег¬
чает их идентификацию на фоне помех
Ведущие энергетические компании
(РЭУ) России используют тепловидение в
течение нескольких десятилетий для
штатной проверки открытых и закрытых
распределительных устройств (ОРУ и
ЗРУ) Основные требования к гепловизи-
онной диагностике электроэнергетических
установок изложены в соответствующих
нормативах Минэнерго РФ (РД 34 45-
51 300-97) Методические особенности
таких обследований описаны в брошюре
С А Бажанова [12] Области применения
ТК электротехнических устройств кратко
описаны в 1абл 9 1 и более подробно - в
]абл 9 3Ниже приведено описание основных
особенностей ТК отдельных типов элек¬
тротехнических устройств, заимствован¬
ное из [12]По закону Джоуля-Ленца мощность
тепловой энергии, выделяющейся в про¬
воднике с током, пропорциональна сопро¬
тивлению проводника и квадрату тока
Ухудшение электрического конiакта
вследствие окисления и уменьшения пло¬щади контакта приводит к росту его
противления и повышению температур
Дефекты в электрических соединен»
образуются непрерывно, и опыт передо
вых стран показывает, что с помощью пе
риодической ИК диагностики число во^
никающих и деградирующих дефект
можно поддерживать на некотором мини
мальном уровнеОсновные преимущества метода:• безопасное обслуживание,• снижение эксплуатационных рас.
ходов,• улучшенное и более дешевое техоб*
служивание,• рост прибыли9.4.1. Методические особенности
ТК электрооборудования. Как и в других
областях применения ТК, критерием от*
браковки электротехнических узлов, на¬
ходящихся под токовой нагрузкой, служит
гемперагурный сигнал (перепад) АТ, кото¬
рый определяют как разность температу¬
ры контролируемого узла и либо темпера¬
туры того же токоведущего проводника
вдали от контролируемого участка, либо
температуры окружающего воздуха. Осо¬
бенности ТК электрооборудования связа¬
ны с тем, что испытания зачастую прово¬
дят на открытом воздухе, размеры участ¬
ков контроля малы, а металлические по¬9.3. Применения ТК в электроэнергетике [121Электротехническое оборудо¬
вание электростанций и сетейВыявляемые неисправностиГенераторыМежлистовые замыкания статоров
Ухудшение паек обмотокОценка теплового состояния щеточных аппаратов
Нарушения работы систем охлаждения статоров
Проверка элементов систем возбуждения
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА299Продолжение табл 9 3Электротехническое оборудо¬
вание электростанций и сетейВыявляемые неисправностиТрансформаторыОчаги возникновения магнитных полей рассеиванияОбразование застойных зон в баках трансформаторов за
счет шламообразования, разбухания или смещения изо¬
ляции обмоток, неисправности маслосистемыДефекты вводовОценка эффективности работы систем охлажденияКоммутационная аппаратураПерегрев контактов токоведущих шин, рабочих и дуго-
гасительных камерСостояние внутрибаковой изоляцииДефекты вводов, делительных конденсаюровТрещины опорностержневых изоляторовМаслонаполненные транс¬
форматоры го каПерегревы наружных и внутренних контактных соеди¬
ненийУхудшение состояния внутренней изоляции обмотокВентильные разрядники и
ограничители перенапряже¬
нийНарушения герметизации элементов
Обрыв шунтирующих сопротивлений
Неправильная комплектация элементовКонденсаторыПробой секций элементовЛинейные ВЧ заградителиПерегревы контактных соединенийКРУ, КРУН, токопроводыГ1ерс1ревы контактных соединений выключателей,
разъединителей, трансформаторов гока, кабелей, токо¬
ведущих шин и г пКабельное хозяйство элек¬
тростанцийПерегревы силовых кабелей, оценка пожароопасности
кабелейВоздушные линии электро¬
передачПерегревы контактных соединений проводовверхности контроля обладают хорошими
отражающими свойствамиБлики отраженного солнечного излу¬
чения особенно заметны при использова¬
ли диапазона длин волн 3 5 мкм, одна¬ко нагрев обьектов Солнцем заметен в
любом спектральном диапазоне Для
исключения этого эффекта рекомендуют
проводить съемку в ночное время или в
облачную погоду Аналогичное Солнцу
300Глава 9 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯвлияние оказывают посторонние теплые
предметы, в особенности при ИК-съемке
токоведущих частей, расположенных в
закрытых объемахВлияние ветра существенно при об¬
следовании контактов ОРУ, расположен¬
ных на значительной высоте и не защи¬
щенных друпши сооружениями Учесть
влияние ветра можно, используя формулу
(2 7) или следующую формулу [12J^0 44S(9 10)АТ,АГ.У\Y-l)А Т-,Аменее подвержены влиянию магнитны»
полейСледует иметь в виду, что инду^
онные токи могут нагревать крепежныеУХ ППЧ| ■ ш-ш Г* П /1ГГ1 Vlf V ■ llllllf УХ П А П «болты, пластины шинодержателей иДру.где АТ - температурные сигналы, служа¬
щие в качестве критерия о[браковки
Формула (9 10) справедлива для скоростей
ветра 1 7 м/с, при V > 8 м/с измерение
температуры становится ненадежными
Дождь, туман и мокрый снег сущест¬
венно снижают сшналы АТ и ухудшают
резкость термоиюбражепий, поэтому до¬
пускается проводить ИК-сьемку лишь при
небольшом снегопаде с сухим снетм или
легком моросяшем дожде При обследова¬
нии подвесных изоляторов паи лучшие
результаты получают при повышенной
влажности воздуха, способствующей уве¬
личению токов утечкиПоскольку 1е\1пературпые сишалы
зависят от тока нагрузки /, результат
измерений следует приводить к опреде¬
ленной силе тока, составляющей, как пра¬
вило, 50 % от поминального значения
Формула пересчета значений АТ вытекает
из закона Джоуля-Ленца(9 11)При обследовании сильноточных
электроустановок (шин генераторов, реак¬
торов) следует учитывать наличие мощ¬
ных магнитных полей, которые способны
искажать изображение на мониторе тепло¬
визора, в особенности, если в мониторе
применена электронно-лучевая трубка В
современных тепловизорах используют
жидкокристаллические дисплеи, которыегие элементы, соз/*авая ложные отметка
дефектовКоронный разряд може! также созда-
вать эффект nepeipcea обьскта контро^
если использован тепловизор коротковод-
новой границей чувствительности около2 мкм (спектр короны близок к 1 мкм)Угол визирования объектов контроля
должен быть в пределах 0 40° для ме-
1аллов и 0 60° для диэлектриков, однако
при более точных измерениях желательно
визировать по норманн, поскольку изме¬
нение коэффициента излучения с ростом
угла визирования плохо контролируется.
При контроле ребристых поверхностей,
папример фарфоровых покрышек вводов,
измерительных трансформаторов и т.п.,
действует сразу несколько факторов, свя¬
занных с yi лом визирования и коэффици¬
ентом излученияПри компьютерной обработке ре¬
зультатов за искомое значение температу¬
ры можно принимать ее среднее значение
по плошади или выбранному участку объ¬
екта Следуе! пмеiь в вицу, что темпера¬
тура на поверхности фарфоровых покры¬
шек определяется как nai ревом обмотки
вслсдсI вие прохождения электрического
тока, так и диэлемрическими потерями в
изоляции, которые характеризуются тан¬
генсом угла потерь tg5 Для тою, чтобы
оценит ь вклад tgS, следует выполнить те-
плоьизионные измерения без нагрузки,то
еемь при нахождении обьск1а только под
рабочим напряжением9.4.2. Силовые трансформаторы)
автотрансформаторы, масляные реак¬
торы. Особенности тепловизионной диаг¬
ностики трансформаторов изучены слабо,
и тепловой метод рассматривается только
в качестве дополнительного к штатным
меголам контроля хромато!рафии, анали¬
зу состава 1аза в масле и др Проблема
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА301стоит в том, что температурные сигналы
С поверхности бака трансформатора кос¬
венным образом связаны с внутренними
еАектами, будучи обусловленными ха-
aicrepoM теплопередачи в магнитопрово-
е и обмогках, а также наличием несколь¬
ких источников тепловыделения вихре¬
вых токов и джоулевых потерь тепла в
различных токоведущих частях Опыт
фирмы "ОРГРЭС" показал, что теплови¬
дение способно выявить следующие неис-правности [12]• возникновение магнитных полей
рассеивания за счет нарушения изоляции
злеменгов магнит опровода (консоли,
шпильки и 1 II ),• нарушения в работе систем охла¬
ждения (маслонасосов, фильтров, венти¬
ляторов итп),• изменения внутренней циркуля¬
ции масла в баке (образование застойных
зон), в частности, у трансформаторов с
большим сроком службы,• напевы внутренних контактов об¬
моток с выводами трансформатора,• витковые замыкания в обмоткахКритериями дефектности служатнормативы работы электроустановок, со¬
держащиеся в [127] Например, темпера¬
тура верхних слоев масла при номиналь¬
ной нагрузке должна находиться в преде¬
лах от 70 до 95 °С, а максимальная раз¬
ность температур по высоте не должна
превышать 20 35 °С9.4.3. Маслонаполненные транс¬
форматоры тока Для данного типа
трансформаторов ТК также является
вспомогательным методом, и расшифров¬
ку результатов проводят с учетом резуль¬
татов других испытаний (величины tg5
изоляции, данных хроматографии, анализа
масла итп) Рекомендуется проводить
осмотры один раз в год до наступления
летней максимальной температуры Каж¬
дую фазу трансформатора контролируют с
трех точек сдвинутых на 120° друг отно¬
сительно друга, используя эталонный ме¬тод сравнения однотипных зон по каждой
фазеПри обнаружении разницы в темпе¬
ратурах фаз более, чем на 0,3 °С. произво¬
дят более тщательный анализ при других
погодных условиях и гоковой нагрузке, а
также проверяют симметричность токов в
фазах Несмотря на то, чю основной це¬
лью испытании является оценка качества
внутренней изоляции обмоток, также кон¬
тролируют температуру в Meciax подсое¬
динения зажимов трансформатора тока и
оценивают состояние внутреннею пере¬
ключающего устройства В последнем
случае сравнивают юмпературы на по¬
верхности расширителя трех фаз Счита¬
ется, что превышение температуры на по¬
верхности расширителя более чем на 10
15 °С может быть обусловлено аварийным
дефектом внутреннего переключателяОсобенности тепловизиопных испы¬
таний трансформаторов тока различного
типа описаны в [12]9.4.4. Маслонаполненные транс¬
форматоры напряжения. Фарфоровые
крышки трансформаторов напряжения,
работающих в режиме насыщения, нагре¬
ваются по всей высоте, поэтому nepeipee
крышки на 0,3 °С не является основанием
для отбраковки трансформатора Ано¬
мально высокие температуры таких
трансформаторов могут быть вызваны
следующими причинами1) дополнительными потерями в маг¬
нит опроводе,2) увлажнением и загрязнением мас¬
ла, сопровождающимся повышением зна¬
чения tg5,3) конструктивными или технологи¬
ческими факторами,4) витковыми замыканиями в обмот¬
кеУстановление корреляции между на¬
блюдаемыми температурными аномалия¬
ми и вышеуказанными причинами требует
проведения дополнительных измерении,
как и в случае трансформаторов тока
302Глава 9. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ9.4.5. Выключатели масляные, воз¬
душные, вакуумные, элегазовые. Внеш¬
ние контакты и контактные соединения
выключателей разнообразны по конструк¬
ции и в большинстве случаев могут быть
проконтролированы тепловым методом.
Результаты контроля оценивают по пре¬
вышению температуры, регламентирован¬
ному ГОСТ 9024-90. Общие сведения по
тепловизионным испытаниям выключате¬
лей приведены в табл. 9.4.При диагностике масляных выключа¬
телей следует осматривать поверхностибаков для каждой фазы с двух-трех <
и при обнаружении локальных тепйов
аномалий повторить измерения через Ш
24 ч при изменившейся нагрузке.При нормальной работе контакт
дугогасительных камер температурщц
аномалии практически отсутствуют i
можно считать, что температуры масла»
баке и на поверхности бака близки. щПри ухудшении состояния контакм|
температура масла возрастает за счет пощ
шенного тепловыделения, и соответствуй
щий участок поверхности становится тел^|9.4. Информация, получаемая при ТК выключателей
(адаптировано из [12])Контролируемый узелОбъем получаемой информацииМасломасляные выключатели 6 ... 10 кВ серий
ВМГ-133, ВМП-10 и им подобные:
шина-токоведущий вывод
вывод-гибкая связь
гибкая связь-свеча
дугогасительная камера
шина-нижний контакт бакаИзмерение температуры узла
контактной системыМасломасляные выключатели 110 кВ и выше серий
ВМТ, МГ-110 и им подобные:
шина-токоведущий вывод
токопровод неподвижного контакта к фланцу
роликовый токосъем
подвижный и неподвижный контакты
опорная крышкаИзмерение температуры узла
контактной системы.Снятие термограммы для ви¬
зуализации места и вида де¬
фектаБаковые масляные выключатели:
шина-токоведущий вывод
дугогасительная камераТо жеВоздушные выключатели:шина-токоведущий вывод
токоведущее соединение модулей
дугогасительная камера
емкостной делитель напряжения
изоляционные воздуховодыТо жеВакуумные и элегазовые выключатели:
шина-токоведущий вывод
контактная система выключателяТоже
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА303ее по сравнению с другими фазами. Ава¬
рийные перегревы контактов в дугогаси-
^дьных камерах приводят к появлению
локальных перегревов за счет турбулент¬
ного перемешивания масла.} В воздушных выключателях, распо¬
ложенных в фарфоровых покрышках,
температуру контактов можно оценить по
температуре металлических фланцев, со¬
единяющих покрышки.'По элегазовым и вакуумным выклю¬
чателям накопленная статистика отказов
(перегревов) невелика, однако считается,
что и в этом случае асимметрия темпера¬
тур покрышек фаз может служить индика¬
тором дефекта контакта.9.4.6. Разъединители и отделители.В разъединителях и отделителях различ¬
ны^ типов ИК контролю подлежат кон-
тактные соединения и изоляторы. Пере¬
грей контактов вызывается:1) низкой надежностью плакирован¬
ных медью контактных выводов;2) окислением поверхности;3) ослаблением контактного нажатияидр/Наиболее трудной задачей является
оценка качества опорно-стержневых фар¬
форовых изоляторов. Измерения следует
проводить при неотрицательных темпера¬
турах и повышенной влажности воздуха,
что усиливает токи утечки Температура
чистого исправного изолятора превышает
температуру окружающей среды на 0,5 °С,
в то время как перегрев загрязненного
изолятора может достигать 2 °С.9.4.7. Маслонаполненные вводы.Высоковольтные маслонаполненные вво¬
ды размещаются на силовых трансформа¬
торах и масляных выключателях. В пер¬
вом случае нижняя часть ввода находится
в масле с температурой 95 °С, а верхняя -
в окружающем воздухе. Наибольшая тем¬
пература внутри ввода соответствует зоне
соединительной втулки. В случае масля¬
ных выключателей температура ввода по
высоте практически постояннаТепловидение выявляет следующие
дефекты маслонаполненных вводов:1) перегревы в местах подсоединений
внешних проводников к зажимам вводов;2) образование короткозамкнутых
контуров в расширителях герметичных
вводов;3) перегревы внутренних контактных
соединений;4) понижение уровня масла (темпера¬
тура резко изменяется в промежутке от
бака трансформатора к расширителю вво¬
да),5) ухудшение качества масла (темпе¬
ратура возрастает вследствие увеличения
tgS);6) нарушение циркуляции масла во
вводе (возникают локальные перегревы
фарфоровой покрышки).9.4.8. Конденсаторы связи и дели¬
тельные. Конденсаторы связи и дели¬
тельные конденсаторы воздушных вы¬
ключателей состоят из фарфоровой по¬
крышки, внутри которой размещены три
пакета по 90 секций рулонного типа. Ред¬
ко наблюдаемые отказы этих устройств
обычно вызваны окислением масла и, как
следствие, повышением tg5. При этом
возникает общий перегрев покрышки,
усиливающийся в зоне расположения де¬
фектного пакета. В случае обнаружения
температурной аномалии такого вида сле¬
дует:1) произвести пофазное сравнение
температур конденсатора;2) уточнить пофазные токи нагрузки;3) повторить испытания при низкой
влажности воздуха;4) измерить tg5.9.4.9. Силовые конденсаторы. Си¬
ловые конденсаторы состоят из плоско¬
прессованных секций, набираемых в па¬
кет. Диэлектрик секций может быть про¬
питан синтетическим или минеральным
маслом. В первом случае наибольшая до¬
пустимая рабочая температура диэлектри¬
ка не должна превышать +95 °С, во вто¬
ром - +65 °С.
304Глава 9 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯСтепень отбраковки силовых конден¬
саторов велика из-за необратимых процес¬
сов в диэлектрике, внутренних пробоев и
перегревов, потери герметичности и т п
Увеличение tg8 на 15 20 % повышает
температуру на поверхности конденсатора
на 3 5 °С Другой причиной перегрева
может быть использование конденсаторов
различной емкости, что приводит к неже¬
лательному перераспределению напряже¬
ния9.4.10. Вентильные разрядники.Вентильные разрядники, устанавливаемые
на ОРУ, рассчитаны на напряжение от 15
до 500 кВ Например, разрядники серии
РВС на напряжение 110, 150 и 220 кВ кон¬
структивно состоят из фарфорового кожу¬
ха с металлическими фланцами, блоков
искровых промежутков и колонок рабочих
резисторов В свою очередь блок искро¬
вых промежутков включает фарфоровый
цилиндр с четырьмя единичными искро¬
выми промежутками, каждый из которых
состоит из двух электродов и миканитовой
шайбыСнаружи фарфорового цилиндра
размещены два керамических подковооб¬
разных резистора, которые предназначены
для выравнивания напряжения между по¬
следовательно соединенными блокамиТепловой метод позволяет контроли¬
ровать исправность шунтирующих рези¬
сторов и искровых промежутков, гермети¬
зацию элементов и степень равномерности
распределения рабочего напряжения по
элементам разрядниковТемпература на каждом элементе
разрядника линейно связана с его напря¬
жениемПредложены следующие признаки
бездефектных разрядников1) верхние элементы в месте распо¬
ложения шунтирующих резисторов нагре¬
ваются одинаково во всех фазах,2) распределение температуры по
элементам фазы разрядника практически
одинаковоЗамыкание искровых промежутков
вызывает перегрев незакороченных рези¬сторов Обрыв шунтирующего резистора
влечет разогрев других элементов этой
фазы разрядникаСпециалистами фирмы "ОРГРЭС”
(г Москва) выработаны следующие реко¬
мендации по тепловизионному обследова¬
нию вентильных разрядников с шунти¬
рующими резисторами1) осмотр следует проводить не ранее
чем через 6 8 ч после постановки раз¬
рядника под напряжение при положитель¬
ной температуре и повышенной влажно¬
сти окружающего воздуха,2) температуру следует сравнивать
пофазно, а также измеря гь в пределах од¬
ной фазы,3) температуру на поверхности фар¬
форовой покрышки элемента разрядника
следует измерять в местах размещения
блоков с искровым промежутком и шун¬
тирующими резисторами,4) тепловизор должен иметь темпера¬
турную чувствительность не хуже 0,1 °С, а
данные ТК следует дополняв измерением
тока проводимости разрядника под рабо¬
чим напряжением9.4.11. Ограничители перенапря¬
жений. Типичная конструкция ограничи¬
телей перенапряжений включает блок ва-
рис горов, заключенных в полимерную
оболочку и установленных в изоляцион¬
ной трубе Неисправностями этих прибо¬
ров являются1) нарушение герметичности,2) увлажнение кварцевого песка,3) смещение отдельных варисторов,4) пробой варисторов,5) протекание токов утечки под сили¬
коновой рубашкой при плохом качестве
склейки и дрОсновной принцип ТК ограничите¬
лей иеренапряжений состоит в том, что
исправные приборы характеризуются сла¬
бым нагревом Увлажнение кварцевого
песка и нарушение герметичности вызы¬
вает локальные перегревы на поверхности
покрышки Соответственно, в месте рас¬
положения пробитого варистора темпера¬
тура снижается
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА305Следует заметить, что нагрев ограни¬
чителей перенапряжения может быть обу¬
словлен тепловыми потоками от системы
вентиляции силовых трансформаторов,
солнечной радиацией и т п9.4.12. Контактные соединения
распределительных устройств и воз¬
душных линий. Массовыми объектами
контроля в электроэнергетике являются
контакты ОРУ и ЗРУ Установлено сле¬
дующее распределение дефектов по кон¬
тактам болтовые соединения - 50 %, оп-
рессованные и скрученные - 5,1 %, свар¬
ные - 1,3 %, контакты разъединителей -
43 %, провода - 0,6 % Величины перегре¬
вов классифицируют по 3-м или 4-м уров¬
ням Для ряда объектов в качестве крите¬
рия отбраковки используют рекомендации
Международной Электротехнической Ко¬
миссии При диагностике контактов мож¬
но рекомендовать следующие критерии
отбраковки (в пересчете на 50 %-ную на¬
грузку)• перегрев до 5 °С означает нормаль¬
ный контакт,• 5 °С 35 °С - контакт подлежит
обслуживанию при плановом ремонте,• 35 °С 85 °С - контакт подлежит
обслуживанию при текущем ремонте,• более 85 °С - необходим внеплано¬
вый ремонт контакта в срок не более 3-х
месяцевСтопроцентный осмотр электриче¬
ской подстанции средних размеров прово¬
дится в течение 1,5 2 ч одним-двумя
операторами Результаты фиксируют на
цифровой носитель информации или на
видеопленку (возможно звуковое сопро¬
вождение для идентификации объекта
съемки) Результаты контроля используют
для составления отчета, где содержится
описание обнаруженных дефектов и реко¬
мендации по ремонтуИК-термограммы могут сопровож¬
даться обычной фотографией, что позво¬
ляет лучше идентифицировать объект
контроля Технологичным является фото¬
графирование с помощью цифрового фо¬тоаппарата, что позволяет записывать ви¬
димое изображение на дискету и обраба¬
тывать совместно с ИК изображением
Некоторые портативные тепловизоры,
например модели ThermaCAM 695 и Р60,
позволяют проводить цифровую фото¬
съемку в том же ракурсе, что и ИК-
съемкуПричинами дефектных сварных со¬
единений являются подрезы, воздушные
пузырьки, каверны, непровары, наплывы,
трещины, шлаковые и газовые включения
(раковины), незаделанные кратеры, пере¬
жог проволок жилы, несоосность соеди¬
ненных проводников, неправильный вы¬
бор наконечников, отсутствие защитных
покрытий и т пДефекты сварки в петлях анкерных
опор воздушных линий (ВЛ) могут вы¬
звать аварийное отключение линии, при¬
чем период развития дефекта до аварийно¬
опасного зависит от тока нагрузки, ветра,
вибраций и т п факторовДля осмотра ВЛ тепловизор устанав¬
ливают на вертолет На одних вертолетах
съемку производят через люк, на других
необходимо снять боковое плексигласовое
стекло и вести съемку под углом к линии
электропередачи (ЛЭП) Анализ контактов
ЛЭП возможен при скорости до 100
км/часВ западной практике вертолет часто
зависает сбоку от опоры для получения
оптимального изображения Бортовую
съемку рекомендуется производить в
предрассветные или вечерние часы (в
крайнем случае, при пасмурной погоде)
из-за возможных солнечных бликов от
блестящих поверхностей и почвы С по¬
мощью ИК-съемки можно зафиксировать
уменьшение активного сечения провода
более чем на 20 25 %, опасными при¬
знаются дефекты, создающие перепады
температуры более 5 °СВ опрессованных соединениях де¬
фекты возникают из-за неправильного
подбора наконечников или гильз, непол¬
ного ввода жил в наконечник, недостаточ¬
ной степени опрессовки, смещения сталь¬
306Глава 9. ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХного сердечника в соединителе провода и
т.п. Опрессованный соединитель считает¬
ся исправным, если его сопротивление не
более чем в 1.2 раза превышает эквива¬
лентный участок целого провода.Для болтовых соединений характер¬
ны дефекты из-за отсутствия шайб при
соединении медной жилы с плоским вы¬
водом из меди или сплава алюминия, от¬
сутствия тарельчатых пружин, недоста¬
точной затяжки болтов и г.п. Чем выше
ток, тем чаще следует проводить перебор¬
ку болтовых контактов с зачисткой по¬
верхностей. Рекомендуется ежегодный
тепловизионный осмотр болтовых соеди¬
нений, поскольку дефекты в них образу¬
ются непрерывно в зависимости от на¬
грузки, воздействия химических реаген¬
тов, степени затяжки и т.п.В контактах, выполненных скруткой,
имеют место дефекты монтажа: неполная
скрутка приводит к вытягиванию провода
из соединителя, а неочищенные провода
создают высокое контактное электриче¬
ское сопротивление.Две термограммы дефектных кон¬
тактных соединений показаны на
рис. 9.26. (См. цветную вкладку.)9.4.13. Высокочастол ные загради¬
тели. Высокочастотные заградители уста¬
навливают на гирляндах изоляторов на
подстанциях 110 кВ. Основным объектом
ТК являются болтовые контакты, которые
следует проверять 1 ... 2 раза в год, ис¬
пользуя приведенные выше критерии от¬
браковки.9.4.14. Подвесные фарфоровые и
полимерные изоляторы. Гирлянды под¬
весных тарельчатых изоляторов характе¬
ризуются определенным (U-образным)
распределением напряжения, которое из¬
меняется при пробое отдельных изолято¬
ров. Наибольшая температура приходится
на изоляторы, примыкающие к фазному
проводу; пробитые изоляторы имеют тем¬
пературу окружающей среды. Вид темпе¬
ратурных распределений различен для
стеклянных и фарфоровых изоляторов.Температурные перепады при нали¬
чии дефектов, как правило, не превышав
0,5 °С, поэтому при испытаниях изолятор
ров применяют тепловизоры с высоким
температурным разрешением. Возможна
И К съемка с борта вертолета при небольг
шой скорости полета или при зависании
вертолета над средней фазой; тепловизй-
онную съемку проводят одновременно ад*
верхних (расположенных у фазного про^
вода) изоляторов всех трех фаз. Различие •
температур на поверхности верхних изо^ ‘
ляторов не должно превышать 25 ... 30 %.9.4.15. Силовые кабели. Тепловой
контроль силовых кабелей проводят на
стадии разработки, испытаний и эксплуа¬
тации. Обнаруживают участки с повы¬
шенным tgS, оценивают характер цирку¬
ляции масла в маслонаполненных кабелях
и качество уплотнения пожарозащищен¬
ных кабелей, выявляют очаги разрушения
изоляции, утонения оболочки, порывы
алюминиевой оболочки и гофра. Темпера¬
туру жилы кабеля определяют по эмпири-'
ческому значению температуры оболочки
и расчетному перепаду температуры меж¬
ду оболочкой и жилой.9.4.16. Аккумуляторные батареи.'
Тепловизионные испытания аккумулятор-
ных батарей облегчены возможностью 4
сравнения однотипных аккумуляторов и \
значительными температурными перепа¬
дами, которые возникают в случае сле¬
дующих дефектов:1) коротких замыканий внутри акку¬
мулятора;2) неисправных паяных и сварных
соединений;3) неравномерной токовой отдачи.
элементов; \4) аномальной температуры электрод
лита; к!5) зашламления. ^9.4.17. Комплектные экранирован-ч
ные токопроводы. Токопроводы с сек--'
ционированными экранами нагреваются, в ^
основном, за счет вихревых токов, кото- $
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА307оые концентрируются на краях секций.
Нарушение изоляции балок металлокон¬
струкций или экранов токопровода приво¬
дит к образованию короткозамкнутых
контуров, в которых циркулируют токи до
3000 А, что вызывает существенные ло¬
кальные перегревы и может вызвать оста¬
нов энергоблока.В токопроводах с непрерывными эк¬
ранами могут возникать дефекты типа
нарушения изоляционных разрывов, что
приводит к перегревам в зонах присоеди¬
нения экранов токопровода к корпусам
генератора и силового трансформатора.
Температуру поверхности экранов кон¬
тролируют в вышеуказанных зонах с по¬
мощью тепловизора.Температура нагрева экранов не
должна превышать 110 °С, а температура
участков, где возможны прикосновения
человека, не должна быть более 60 °С.9.5. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ
УСТРОЙСТВА9.5.1. Паропроводы, паровые и
водогрейные котлы. Основные
показатели качества тепловой изоляции
(ТИ) теплотехнических установок,
максимально допустимые теплопотери
через ТИ и температуры наружных
поверхностей регламентируются со¬
ответствующими нормами [128].Качество теплоизоляции связано не
только с предельными нормами теплопо-
терь, но и с расходом и стоимостью при¬
мененных материалов. Фактические теп¬
лопотери могут отличаться от проектных
вследствие низкого качества исполнения
теплоизоляционных работ и сложности
учета фактических условий внешней теп¬
лоотдачи. Кроме того, в процессе эксплуа¬
тации ТИ изменяет свои свойства, как
правило, в сторону снижения термическо¬
го сопротивления, в результате чего воз¬
растают как теплопотери, так и темпера¬
тура на поверхности установок. Прежде
всего, это относится к ТИ оборудования и
паропроводов высокого давления и темпе¬ратуры, а также к котельным обмуровкам,
где большинство теплоизоляционных ма¬
териалов работает при предельных темпе¬
ратурах.С учетом того, что каждый процент
превышения норм теплопотерь эквивален¬
тен перерасходу приблизительно 300 кг
условного топлива в год на 1 МВт уста¬
новленной мощности, затраты на содер¬
жание ТИ в надлежащем виде, а значит и
систематический контроль, экономически
целесообразны [14]. Применение для кон¬
троля ТИ контактных термощупов и пре¬
образователей теплового потока (тепломе¬
ра Шмидта, тепломера ИТП-2 и т.п.) не
всегда возможно вследствие трудностей
доступа к объекту контроля (наличие ар¬
матуры, балок, труб и т.п.). Трудоемкость
обследований можно существенно сни¬
зить, используя тепловизионную аппара¬
туру.Целями испытаний ТИ являются:1) локализация и определение объе¬
мов ее разрушения перед ремонтом;2) оценка качества ТИ при приемке
после монтажа, ремонта или реконструк¬
ции;3) обследование состояния ТИ и ее
паспортизация;4) определение суммарных теплопо¬
терь через ТИ и оценка к.п.д. основного
оборудования.Во всех случаях проводят проверку
соответствия параметров ТИ установлен¬
ным нормам потерь тепла и температуры
на ее поверхности. Полученные результа¬
ты испытаний позволяют путем сравнения
их с нормативными или проектными пока¬
зателями оценить состояние или качество
выполненного ремонта ТИ, выявить де¬
фектные участки, наметить пути устране¬
ния дефектов.Испытаниям подлежит теплоизоля¬
ция основного и вспомогательного обору¬
дования и трубопроводов с температурой
теплоносителя выше 100 °С. Согласно
действующим нормативам, при темпера¬
туре воздуха в помещении 25 °С, темпера¬
тура на поверхности ТИ не должна пре¬
308Глава 9. ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХвышать 45 °С при температуре теплоноси¬
теля, равной или менее 500 °С, и 48 °С -
при температуре теплоносителя 500 ...
600 °С. Для объектов, расположенных на
открытом воздухе, температура на по¬
верхности ТИ не должна превышать 55 °С
при металлическом покровном слое и
60 °С - при других видах покровного слоя.Вследствие сложности и разнообра¬
зия оборудования электростанций все
подлежащее испытаниям оборудование
рекомендуется разбить на отдельные
группы.В котельных цехах испытывают тру¬
бопроводы питательной воды, водопере¬
пускные трубы в пределах котла, пароот¬
водящие трубы, барабан, пароперепуск¬
ные трубы, коллекторы пароперегревате¬
ля, трубопроводы перегретого пара (ос¬
новного и вторично перегретого), холод¬
ные линии вторично перегретого пара,
установки подачи собственного конденса¬
та, обмуровку котла, воздушный и газо¬
вый тракт котла, системы пылеприготов-
ления.В турбинных цехах испытаниям под¬
вергают ТИ турбин, паропроводов пере¬
гретого пара, пароперепускных паропро¬
водов от стопорных и регулирующих кла¬
панов до турбины, трубопроводов пита¬
тельной воды и конденсата, подогревате¬
лей, деаэраторов и т.п.Во время испытаний измеряют тем¬
пературу окружающего воздуха вблизи
объектов контроля, поскольку на нее нор¬
мированы удельные теплопотери и темпе¬
ратура на поверхности теплоизоляции.При обследованиях ТИ используют
те же тепловизоры, что и при строитель¬
ной диагностике, однако диапазон изме¬
ряемых температур должен быть расши¬
рен до +1500 °С; также более жесткие тре¬
бования предъявляют к портативности
прибора.Перед началом испытаний необходи¬
мо ознакомиться с проектом ТИ паропро¬
водов и технологического оборудования.
Следует определить и при необходимости
уточнить:1) схемы ТИ паропроводов и обору,
дования;2) конструкцию ТИ для каждого объ¬
екта;3) использованные материалы;4) расчетные общие и удельные теп¬
лопотери через ТИ и температуру ее по¬
верхности. Точки тепловизионной съемки
выбирают с учетом доступности, наличия
лестниц и площадок и т.п. При внешнем
осмотре на схеме отмечают места с нару¬
шенным покровным слоем, разрушения
ТИ (провисание, сползание) и другие ви¬
димые дефекты. На участках с недоста¬
точной толщиной ТИ измеряют темпера¬
туру ее поверхности и температуру окру¬
жающего воздуха. Для лучшей привязки
результатов обследования рекомендуется
выполнить фотографическую съемку обна¬
руженных дефектов, желательно в тех же
ракурсах, что и тепловизионная съемка.9.5.2. Поверхности нагрева котель¬
ных агрегатов. Поверхность нагрева ста¬
ционарного котла передает теплоту рабо¬
чей среде или воздуху. Трубы поверхно¬
стей нагрева, трубопроводов и коллекто¬
ров работают в тяжелых условиях, поэто¬
му материалы для их изготовления выби¬
рают с учетом параметров внутренней и
внешней среды. Основное внимание при
обследовании уделяется как визуальному
осмотру поверхностей нагрева на предмет
выявления видимых нарушений, так и те¬
пловизионной съемке, осуществляемой в
зонах прямой видимости котла.Визуальный осмотр поверхностей на¬
грева выведенных из работы котлоагрега-
тов совмещают с тепловизионной съем¬
кой, создавая архив визуальных изобра¬
жений и термограмм, которые могут быть
использованы при последующих осмот¬
рах.Тепловизионный контроль забитости
труб паровых и водогрейных котлов про¬
водят как на стадии завершения ремонта,
так и до него. Для проведения тепловизи-
онного обследования обеспечивают пода*,
чу теплой воды (40 .. .60 °С) через поверх¬
ности нагрева котла. В процессе термо¬
графии маркируют (отмечают) забитые*
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА309участки труб и другие аномалии (дефек¬
ты), выявленные при визуальном осмотре,
рекомендуется производить запись на
цифровую фото- или видеокамеру с при¬
вязкой термограмм к местам дефектов.После проведения осмотра и сбора
информации производят анализ результа¬
тов, выявляют возможные причины по¬
вреждений и оценивают степень их влия¬
ния на состояние труб поверхностей на¬
грева. При визуальном осмотре выявляют
следующие группы дефектов:• дефекты металлургического про¬
исхождения (плены, закаты, трещины и
т.п.);• дефекты термической обработки
(коррозия, окалинообразование и т.д.);• технологические дефекты, возни¬
кающие при изготовлении, монтаже и ре¬
монте котла (гофры на гнутых участках
труб, утонение стенок, вмятины, задиры и
т.д.);• наружные загрязнения поверхно¬
стей нагрева (сажа, шлакозоловые отло¬
жения и т.п.).Забитость или частичная проходи¬
мость труб поверхностей нагрева опреде¬
ляют по термограмме, на которой холод¬
ные зоны соответствуют локальной не¬
проходимости трубок; соответственно
горячие зоны указывают на нормальное
состояние данного участка поверхности
нагрева.Забитость трубок определяется сле¬
дующими факторами:1) послемонтажной загрязненностью
поверхности котла из-за отложения на ней
оксидов железа;2) загрязненностью сварочным гра¬
том, песком, землей и посторонними
предметами;3) эксплуатационной загрязненно¬
стью внутренней поверхности котла из-за
отложений в виде кальциевых соединений
и оксидов железа.9.5.3. Пруды-охладители. ИК съемка
прудов-охладителей, фиксирующая кар¬
тину распределения температуры по по¬верхности акватории, дает возможность
определить тепловые течения в водохра¬
нилищах, оценить эффективность охлаж¬
дения воды, выявить несанкционирован¬
ные сбросы в водоемы, влияющие на теп¬
ловой режим энергетического оборудова¬
ния тепловых электростанций (ТЭС). В
частности, повышение температуры воды,
поступающей на конденсаторы турбин, на1 °С по сравнению с расчетной для ТЭС
мощностью 4 млн. кВт вызывает перерас¬
ход топлива примерно на 25000 тонн топ¬
лива в год.Съемку выполняют с борта вертолета
в два этапа. Вначале с высоты 200 ... 300 м
снимают пруд по периметру с "привязкой"
к береговым объектам, в результате чего
устанавливают распределения температу¬
ры в местах сброса и забора циркуляцион¬
ной воды, а также выявляют места не¬
санкционированных сбросов в водоемы.
Затем съемку повторяют тепловизором с
широкоугольным объективом с высоты не
менее 1000 м, в результате чего получают
общую картину распределения температу¬
ры по поверхности пруда.При невозможности получить изо¬
бражение пруда в пределах одного кадра
выполняют мозаичную съемку, после чего
отдельные термограммы "сшивают" с по¬
мощью соответствующих компьютерных
программ (в последние годы появились
специализированные программы, предна¬
значенные для составления панорамных
термоизображений с учетом угловых ис¬
кажений, параллакса и других факторов).
Рекомендуется параллельно с тепловизи¬
онной съемкой производить обычную ви¬
деосъемку, в том числе, со звуковым ком¬
ментарием для лучшей привязки термо¬
грамм к наземным объектам. Излучатель-
ная способность воды весьма высока (до
0,96 ... 0,98) при углах визирования, близ¬
ких к нормали. При больших углах визи¬
рования имеют место явления зеркального
отражения, в результате чего точность
определения истинных температур может
быть низкой.
310Глава 9. ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХV4«•а
'«-'%Рис. 9.27. Воздушный мониторинг мест несанкционированною сброса воды в пруд
(с разрешения Г. Стоктона, Stockton Infrared Services, США)Поскольку тепловизионную съемку
прудов-охладителей проводят на значи¬
тельных расстояниях, поглощение в атмо¬
сфере, отраженное солнечное излучение,
осадки и туман могут оказывать сущест¬
венное влияние на точность измерений.
Рекомендуется выполнять съемку в пас¬
мурный день при отсутствии ветра, тумана
и дождя.Требования к тепловизорам - стан¬
дартные. Термограммы можно регистри¬
ровать как на PCMCIA карту (или флэш-
карту), так и на видеомагнитофон. На ито¬
говой панорамной термограмме пруда
идентифицируют участки сброса и забора
циркуляционной воды, а также места не¬
санкционированных сбросов воды, если
таковые имеются. В качестве примера на
рис. 9.27 показана термограмма мест не¬
санкционированного сброса воды в реку.
Сбрасываемые воды имеют более высо¬
кую температуру и их "хвосты" хорошо
видны при воздушной съемке (на рис. 9.27
показаны стрелками).После анализа полученной информа¬
ции можно сделать вывод об эффективно¬
сти охлаждения воды и степени влиянияразличных факторов, мешающих охлаж¬
дению. Результаты теиловизионной съем¬
ки могут быть использованы для измене¬
ния теплового режима пруда-охладителя,
что позволяет путем снижения температу¬
ры циркуляционной воды повысить глу¬
бину вакуума в конденсаторе турбины и
соответственно увеличить мощность и
к.п.д. турбоустановки.9.5.4. Тепловые сети. Контроль со¬
стояния подземных тепловых сетей осно¬
ван на дистанционном измерении поля
температуры на поверхности грунта над
теплотрассой, причем места скрытых уте¬
чек идентифицируют либо по искажениям
регулярных температурных профилей,
либо путем сравнения измеренных значе¬
ний температуры с расчетными, получен¬
ными методом математического модели¬
рования возможных нарушений теплового
режима сетей (дефектов).За рубежом наибольший опыт накоп?
лен в скандинавских странах, в особенно:
сти в Дании и Финляндии, где фирмы*
осуществляющие ИК-термографическук>
съемку городских тепловых сетей, поль*
зуются поддержкой местных властей.
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА311Рис. 9.28. Термограмма участка подзем ной теплотрассы, полученная аэросъемкой(с разрешения Г'. Стоктона, Stockton Infrared Services, США)Следует заметить, что проведение теило-
визионнон съемки во многих зарубежных
странах облегчено небольшой глубиной
залегания теплотрасс и отсутствием желе¬
зобетонных лотков.В России карты тепловых сетей сни¬
мали в гг. Москве, Санкт-Петербурге и
некоторых других городах, используя оте¬
чественные бортовые тепловизоры. По¬
мимо утечек теплой воды, тепловизионная
съемка позволяет уточнить схемы прохо¬
ждения тепловых коммуникаций.Подготовку к измерениям начинают с
изучения участка тепловой сети: типа
прокладки, конструкции изоляции, ее со¬
стояния и т.д. При этом используют пас¬
портные данные, исполнительные черте¬
жи, отчетность теплосети, результаты ос¬
мотра участка со вскрытием тепловых
камер и т.п. Поверхностную температуру
грунта измеряют при перепаде температур
между наружным воздухом и водой в теп¬
ловой сети, превышающим минимально
Допустимый перепад АТт1п, определяе¬
мый по формулеATm]n=ATmR-^-, (9.12)где t±Tres - температурное разрешение(чувствительность) тепловизора, °С; R -
проектное сопротивление теплопередаче,
м2 ■ °С/Вт; а - коэффициент теплоотдачи
на поверхности грунта, Вт/(м2 • °С); Я0 -относительное сопротивление теплопере¬
даче подлежащего выявлению дефектного
участка, принимаемое равным отношению
значения, требуемого нормативно-техни-
ческой документацией, к проектному зна¬
чению сопротивления теплопередаче (но
не более 0,85). Величину а на поверхно¬
сти грунта определяют по формулеa = pV^6+^|j, (9.13)где р - численный коэффициент (1,2 -
для грунта; 1,4 - для асфальта); V - ско¬
рость ветра, м/с.Температуру грунта измеряют при
условиях, близких к стационарным, при
отсутствии атмосферных осадков, тумана
и задымленности. Обследуемая поверх¬
ность не должна находиться в зоне прямо¬
го или отраженного солнечного излуче¬
ния. Учитывая изменения радиационного
312Глава 9. ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХбаланса Земли, измерение температур
грунта лучше всего производить за 2 ... 3
часа до восхода Солнца. Обследуемая по¬
верхность грунта должна быть по возмож¬
ности ровной, свободной от травяного
покрова, воды, камней и т.п.Пример термограммы городской теп¬
лотрассы, полученной с борта самолета,
приведен на рис. 9.28; хорошо прослежи¬
вается трасса подземной трубы и видна
область существенной утечки теплой воды
(отмечена стрелкой). В российских усло¬
виях теплотрассы расположены достаточ¬
но глубоко, и соответствующие поверхно¬
стные температурные сигналы размыты.
Наилучшие результаты получают при
съемке со значительной высоты (вплоть до
борта вертолета или мотодельтаплана).Типовая процедура обработки ре¬
зультатов состоит в сравнении измеренной
максимальной температуры поверхности
фунта над теплотрассой с расчетной мак¬
симальной температурой поверхности
грунта для данного участка, которую оп¬
ределяют по данным натурных измерений
или согласно нормативно-технической
документации.Тепловизионный метод пригоден для
выявления участков теплотрасс с повы¬
шенными теплопотерями, обусловленны¬
ми увеличением коэффициента теплоот¬
дачи вследствие увлажнения или разру¬
шения ТИ, затопления канала водой и т.д.
С определенной точностью данный метод
позволяет определять места утечек тепло¬
носителя из трубы, уменьшая зону вскры¬
тия грунта над теплотрассой, снижая тру¬
дозатраты и тем самым уменьшая объем
землеройных работ. Эффективность теп-
ловизионной съемки можно повысить,
используя дополнительно УЗ-аппаратуру
обнаружения утечек.9.5.5. Вакуумное оборудование тур¬
боустановок. Качество вакуумно-плотных
соединений в турбинных установках ТЭС
влияет на расход топлива. Штатный кон¬
троль вакуума по перепаду давления не
позволяет идентифицировать дефектные
места, а использование течеискателейнеэффективно в силу чисто технических
проблем, например трудного доступа к
зонам контроля. Применение
термографии основано на том, что при
натекании атмосферного воздуха в места
неплотных соединений установок, имею¬
щих повышенную температуру, возникает
эффект охлаждения, который тем замет¬
нее, чем больше объем натекаемого воз¬
духа (выше вакуум или больше дефект).В России систематические исследо-
вания по обнаружению мест нарушения
вакуума в турбоустановках ТЭС не прово¬
дились и соответствующие методические
указания отсутствуют. В США на атомной
станции Peach Bottom (Ресо Energy
Company) ИК-термография является
штатным методом анализа состояния кон¬
денсаторов, основная функция которых
состоит в конденсировании выходного
пара из паровых турбин низкого давления.Максимальная эффективность рабо¬
ты конденсатора достигается поддержа¬
нием вакуума в турбине на минимально
возможном уровне. Тем не менее, на прак¬
тике возможно натекание атмосферного
воздуха величиной до нескольких кубо¬
метров в минуту.Основными зонами нарушения ва¬
куума являются:1) уплотнения турбины;2) устройства удаления воздуха;3) смотровые окна и лазы;4) клапана и фланцы;5) сварные соединения и т.п.На атомной станции Peach Bottom
внедрена программа использования ИК-
термографии для обнаружения мест нате¬
кания воздуха в вышеупомянутых компо¬
нентах. Подчеркивается, что роль данного
метода - скорее качественная, нежели ко¬
личественная [129].Поскольку степень вакуума и струк¬
тура соответствующих систем на атомных
и тепловых станциях аналогичны, следует
ожидать, что ИК-термографию можно
применить и на ТЭС. Фрагментарный
опыт автора в данной области показал, что
в некоторых вакуумплотных соединениях.
АВИАКОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА313вид температурных распределений в слу¬
чае нарушения вакуума изменяется столь
значительно, что идентификация протечки
возможна даже оператором с небольшим
опытом термографии. Тем не менее, во
многих случаях, в частности при инспек¬
ции фланцевых соединений, интерпрета¬
ция результатов съемки является нетриви¬
альной и требует систематических иссле¬
дований.По-видимому, необходимо накопле¬
ние атласа "бездефектных" термограмм, с
которыми следует сравнивать результаты
текущих осмотров.Две иллюстрации достаточно оче¬
видных дефектов, обнаруженных на одной
из российских ТЭС, приведены на
рис. 9.29 цветной вкладки (дефекты отме¬
чены стрелками).9.6. АТОМНЫЕ СТАНЦИИПрограммы технического обслужи¬
вания типичной атомной станции преду¬
сматривают до 50 тысяч тестовых проце¬
дур, среди которых возрастает роль пас¬
сивной ИК-термографии. В США тепло¬
вой метод внедрен на всех атомных стан¬
циях. В Великобритании на станции
Heysham первые применения ИК-термо¬
графии были связаны с диагностикой ра¬
боты электродвигателей мощностью1,6 кВт; затем тепловизионный контроль
стали применять для диагностики комму¬
тационной аппаратуры, клапанов и тепло¬
изоляции.Примером удачного применения ТК
явилась оперативная локализация утечки
пара с температурой +550 °С из турбины,
что позволило избежать дорогостоящей
остановки турбины.ИК термографическая съемка ис¬
пользовалась для мониторинга температу¬
ры разрушенного энергоблока Чернобыль¬
ской АЭС; имеются сведения о примене¬
нии теплового метода для проверки ОРУ и
ЗРУ на ряде российских атомных станци¬
ях, тем не менее, как средство штатного
контроля в отечественной атомной про¬
мышленности тепловидение до сих пор
применяется слабо.9.7. АВИАКОСМИЧЕСКАЯ
ТЕХНИКАВ авиакосмической технике широко
используют новые материалы (компози¬
ционные, сотовые, структуры металл-
неметалл), включая силовые элементы и
покрытия, характеризующиеся более вы¬
сокими значениями отношения прочност¬
ных и других характеристик к массе по
сравнению с металлами и сплавами. Из
таких материалов изготавливают панели
космических ракет и самолетов, лопасти
вертолетных винтов, компоненты двигате¬
лей и т.п. Срок службы изделий, в том
числе в агрессивной среде, может быть
весьма велик, по крайней мере, если в них
отсутствуют дефекты. Дефекты в новых
материалах существенно отличаются от
дефектов в металлах, будучи связанными
с поверхностями раздела между слоями,
наличием воды в пористых и сотовых сло¬
ях, нарушениями сцепления матрицы и
наполнителя и т.п.Большая площадь панелей ракет и
самолетов, а также высокая стоимость
простоя авиационной техники делают осо¬
бенно актуальным компромисс между
чувствительностью конкретного метода
НРК и производительностью испытаний.
В этом аспекте применение ТК в авиации
особенно эффективно.Например, в США предприятия авиа¬
космического профиля образуют основной
рынок потребителей систем активного
ТК. В последние годы успешно работает
фирма Thermal Wave Imaging (TWI), пред¬
лагающая на мировом рынке системы
ThermoScope и EchoTherm (см. табл. 7.1).
В данных системах использован принцип
синтетической обработки термографиче¬
ских сигналов (Synthetic Thermographic
Signal Processing-STSP), составляющий
ноу-хау фирмы. Судя по публикациям и
рекламным проспектам фирмы TWI, сущ¬
ность технологии STSP состоит в им¬
пульсном нагреве объекта, записи после¬
довательности ИК-термограмм с помощью
тепловизора большого формата и высокой
314Глава 9. ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХчувствительности, полиномиальной ап¬
проксимации и составлении карт харак¬
терных времен теплопередачи (см.
п. 5.10.3). Последнее достижение фирмы:
разработка программного продукта МО-
SAIQ, который позволяет синтезировать
крупномасштабные изображения больших
поверхностей контроля (фюзеляжа само¬
лета) из набора отдельных термограмм.9.7.1. Концепция применения ТК в
авиации при выполнении ремонта.Американской фирмой Nordam Repair Di¬
vision разработана концепция выбора оп¬
тимального метода НК при дефектоско¬
пии, а также проверке и документирова¬
нии результатов ремонта самолетных па¬
нелей [130]. Фирма руководствовалась
следующими требованиями.• Метод должен выявлять дефекты
различного типа (интрузию воды/масла,
расслоения, коррозию, непроклеи и т.п.).• Метод должен сканировать по¬
верхность и по возможности создавать
изображение.• Метод не должен требовать извле¬
чения объекта контроля из самолета или
его существенного демонтажа.• Оценка результатов должна произ¬
водиться непосредственно на месте кон¬
троля.• Результаты испытаний должны хо¬
рошо документироваться и архивировать¬
ся для возможных последующих ссылок.• Аппаратура должна быть транс¬
портабельной и монтироваться в течение
короткого времени.• Аппаратура должна быть пригод¬
ной для пользования операторами 1-го
уровня.• Внедрение аппаратуры не должно
сопровождаться существенной реоргани¬
зацией сложившейся системы проверки
результатов ремонта.В дополнение к традиционным зву¬
ковому, УЗ и радиографическому НК,
компания Nordam начала широкое вне¬
дрение теплового и ширографическогометодов, которые в значительной степени
отвечают вышеприведенным условиям
Компьютерная система ТК, поставленная
фирмой Thermal Wave Imaging, использу-
ется для проверки следующих авиацион¬
ных изделий:1) углеродных, стеклопластиковых и
кевларовых панелей;2) композиционных и металлических
сотовых панелей;3) металлических и композиционных
акустических панелей;4) экранов из нержавеющей стали,
соединенных с алюминиевыми или компо¬
зиционными акустическими обшивками.В качестве существенного преиму¬
щества ТК по сравнению с УЗ отмечается
его более высокая производительность. В
работе [130] приведен пример ТК руля
направления самолета Боинг-737 площа¬
дью примерно 6,5 м2, который длился 3 ч
и обнаружил ослабление связующего ма¬
териала композита в месте удара молнии.
УЗ-контроль такой панели длился бы 7 ч.9.7.2. Обнаружение воды в сотовых
панелях самолетов. Среди специалистов
утвердилась точка зрения, что ТК, будучи
менее чувствительным, но гораздо более
производительным, чем, например, УЗ-
метод, служит дополнением к штатным
методам НК. Поэтому тепловой метод
часто рассматривают в качестве скринин¬
гового (screening). Хорошей иллюстрацией
этому положению является комбинирова¬
ние пассивного ТК и УЗ-контроля воды в
сотовых структурах самолетов.Сотовые конструкции представляют
собой две обшивки, между которыми на¬
ходятся ячеистые соты, причем комбина¬
ции материалов, использующихся для об¬
шивки и сот, могут быть весьма разнооб¬
разными.В отечественных самолетах ИЛ-86,
ИЛ-96 и других используют соты, в кото¬
рых обшивка выполнена из дюралюми¬
ниевых листов толщиной 0,5 ... 1 мм, а
соты изготовлены из дюралюминиевой
фольги толщиной 0,1 мм. В самолетах'
АВИАКОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА315нового поколения, например ТУ-204 и ЯК-
42 применены композиционные соты. В
космической технике применяют сотовые
конструкции, включающие обшивку из
стекло- и углепластика, соты - из алюми¬
ния и бумаги типа Nomex.Основными дефектами сотовых кон¬
струкций являются:1) отслоение сот от обшивки вследст¬
вие непроклеев и смятия стенок ячеек
(данный вид дефекта возникает как в силу
технологических причин, так и в ходе экс¬
плуатации самолетов);2) наличие воды в одной или не¬
скольких ячейках (возникает в ходе экс¬
плуатации самолета в результате попада¬
ния воды извне через технологические
неплотности панелей крыльев, фюзеляжа,
киля и других частей самолетов).Штатными методами НК воды в со¬
тах являются радиационный и УЗ.Радиационный НК эффективен при
двустороннем доступе к изделиям вслед¬
ствие высокого контраста воды на фоне
тонких алюминиевых листов. Однако дан¬
ный метод практически неприменим в тех
случаях, когда невозможно обеспечить
двусторонний доступ к самолетной панели
(односторонний радиационный контроль
остается весьма дорогим методом НК.Далее, сплошной радиационный НК
сотен и тысяч квадратных метров поверх¬
ности фюзеляжа требует большого коли¬
чества дорогостоящей рентгеновской
пленки, в то время как рентгенотелевизи¬
онный метод до сих пор мало использую!
на практике.Кроме того, специфические требова¬
ния к технике безопасности делают радиа¬
ционный контроль малоприемлемым на
гражданских авиалиниях, где в условиях
ЭДгара производят одновременно несколь¬
ко разнородных операций диагностики и
ремонта (еще более проблематичным яв¬
ляется радиационный контроль на взлет¬
но-посадочной полосе). Наконец, радиа¬ционный контроль не обеспечивает лока¬
лизацию и количественную оценку влаго¬
содержания.Ультразвуковой НК является чувст¬
вительным к наличию воды, прилегающей
к обшивке (испытания проводят на ниж¬
ней поверхности авиационных панелей),
позволяя оценить толщину водяного стол¬
бика по времени запаздывания УЗ-сигнала
(по отечественным данным, предел обна¬
ружения около 2 мм).Основным недостатком УЗ-метода,
по крайней мере, на примере российских
авиакомпаний, помимо его контактного
характера, является низкая производи¬
тельность испытаний; кроме того, УЗ-
контроль неприменим на вертикально¬
ориентированных поверхностях, например
на киле.Тепловой метод обнаружения воды в
авиационных сотовых панелях принят в
качестве штатного европейским концер¬
ном Airbus Industry и американской фир¬
мой Boeing Commercial Aircraft (в послед¬
нем случае разработаны нормативные до¬
кументы и метод одобрен Федеральной
Авиационной Администрацией - FAA).В пассивном режиме воду в сотах
можно обнаруживать в течение некоторо¬
го времени после посадки самолета, ис¬
пользуя большую разность температур на
земле (от +20 до -20 °С) и за бортом в ус¬
ловиях крейсерского полета (до “50 °С).
Замерзшая вода сохраняет температуру
ниже 0 °С в течение длительного времени,
при этом тепловое изображение дефектов
имеет специфический вид, облегчающий
идентификацию воды.Рис. 9.30 - 9.32 см. на цветной вклад¬
ке.Пример термограмм, полученных при
обследовании самолетов ТУ-204 и ИЛ-96,
приведен на рис. 9.30 и рис. 9.31 (совме¬
стные исследования фирм "ПЕРГАМ" и
316ГЛАВА 9. ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХТомского НИИ интроскопии). Представ¬
ляет интерес сравнить результаты ИК
термографического и данные УЗ-конт-
роля, которые были получены нескольки¬
ми месяцами ранее.Для многих зон совпадение данных
было удовлетворительным (рис. 9.30, а); в
ряде зон наблюдались расхождения по
форме областей, занятых водой, что мож¬
но объяснить как миграцией ранее запа¬
сенной воды, так и инфильтрацией новых
порций воды в период между двумя про¬
верками. Полное время тепловизионного
осмотра зон, подлежащих контролю на
одном самолете, не превышает 1 ч, вклю¬
чая осмотр с земли таких труднодоступ¬
ных участков, как киль и рули высоты
(рис. 9.30, б).Данные рис. 9.31 показывают, что
пассивный ТК способен обнаруживать
воду не только в композиционных, но и в
алюминиевых панелях. Активный способ
ТК воды в авиационных сотовых панелях,
выполненных из композиционных мате¬
риалов, используется европейским кон¬
церном Airbus Industry [131]. Нагрев про¬
изводят с помощью "теплового одеяла",
которое накладывают на часть фюзеляжа
и нагревают электрическим током.В России активный способ находится
в стадии разработки [132]. На рис. 9.32, а
показана система активного ТК воды в
сотах, предложенная фирмами "ПЕРГАМ"
и Томским НИИ интроскопии Оптический
нагреватель, состоящий из 8 галогенных
ламп с полной мощностью 3 кВт, выпол¬
нен в виде рамки, соосно с которой распо¬
ложен тепловизор типа Thermovision 570
или ThermaCAM 695. Процедура контроля
состоит в последовательном нагреве уча¬
стков размером 0,5 х 0,5 м и последующей
сшивке отдельных термограмм в пано¬
рамное термоизображение.Активный способ применим к окра¬
шенным алюминиевым поверхностям,
однако и в этом случае значительную
трудность представляет излучение ламп,
отраженное от контролируемой поверхно¬сти. Участки сот, заполненных водой мас¬
сой более 3 ... 6 г, проявляются на поверх-
ности в виде характерных холодных зон
(рис. 9.32, б-ё). Наилучшие результаты
были получены на сотах с обшивкой из
композиционных материалов, например
стеклопластика или углепластика, а также
на стальных сотах (рис. 9.32, г-е). Темпе¬
ратурные сигналы в таких сотах сохра¬
няются в течение длительного времени
при хорошем воспроизведении формы
областей, заполненных водой, в отличие,
например, от сот с алюминиевой обшив¬
кой, где форма сигнала размыта и сам
сигнал сохраняется в течение 2 ... 6 с
(рис. 9.32, б, в).В полном соответствии с теорией ТК,
оптимальным объектом контроля являют¬
ся соты, изготовленные из алюминиевых
сот со стеклопластиковой обшивкой (рис.
9.32, г); в этом случае удается отследить
текстуру отдельных ячеек и, следователь¬
но, выявить не только воду в ячейках сот,
но и отслоения сот от обшивки.Как отмечено выше, одним из основ¬
ных недостатков оптического способа на¬
грева является отраженное излучение
ламп (для его подавления в нагревателях
типа рис. 9.32, а используют шторки, пе¬
рекрывающие излучение нагрева в момент
регистрации). Соты, выполненные из ком¬
позиционных материалов, можно нагре¬
вать менее мощными нагревателями, на¬
пример, феном. Большой интерес пред¬
ставляет СВЧ нагрев, обеспечивающий
селективное выявление зон скопления
воды в сотах с неметаллической обшив¬
кой, однако отсутствие коммерческих ру¬
порных СВЧ нагревателей и необходи¬
мость защиты персонала от СВЧ излучения
препятствует внедрению этого способа.Система, подобная описанной выше,
используется фирмой Boeing Commercial
Aircraft (США) в виде роботизированного
комплекса, что позволяет автоматизиро¬
вать процедуру нагрева и обработки дан¬
ных.9.7.3. Обнаружение воды в тепло¬
защите космических челноков. Корпус
АВИАКОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА317Рис. 9.33. Вода, проникшая в теплозащитную плитку космического
челнока "Буран", видна на термограмме вследствие естественного испарения
(снято прибором ТВ-03 - одним из первых отечественных серийных тепловизоров)космических кораблей-челноков защищен
специальным теплозащитным слоем, ко¬
торый предотвращает перегрев и разру¬
шение корпуса при прохождении корабля
через плотные слои атмосферы. Теплоза¬
щитный слой обладает весьма высоким
термическим сопротивлением и способен
эффективно противостоять высоким тем¬
пературам. Защитное покрытие этого слоя
должно препятствовать проникновению
воды внутрь теплозащиты, однако возни¬
кающие в процессе эксплуатации кораб¬
лей трещины покрытия приводят к тому,
что отдельные теплозащитные плитки мо¬
гут набирать воду массой, значительно
превышающей массу сухих плиток.Механизм обнаружения воды в теп¬
лозащите кораблей-челноков связан как с
переходными режимами при посадке, так
и с естественным испарением воды через
нарушения защитного покрытия. В США
была реализована программа SILTS, кото¬
рая предусматривала размещение тепло¬
визоров на самолетах, встречающих кос¬
мические челноки. В этом случае увлаж¬
ненные теплозащитные плитки могут быть
обнаружены непосредственно в процессе
посадки. Аналогичные работы были вы¬
полнены в СССР по программе создания
космического корабля "Буран" (рис. 9.33).
Отечественные исследователи вплотную
подошли к количественной оценке влаго-
содержания как в пассивном режиме (по
площади дефектных зон), так и в активномрежиме (при дистанционном нагреве теп¬
лозащиты). Однако, в силу известных
причин, исследования в данной области
были свернуты и не возобновлены.9.7.4. Турбинные лопатки. Газовые
турбины широко используются в энерге¬
тике и двигателестроении. Вне зависимо¬
сти от области применения, эффектив¬
ность их работы во многом определяется
качеством лопаток, которые должны про¬
тивостоять высоким температурам, сопро¬
вождающим эксплуатацию турбин. Тепло¬
вой метод успешно применяют для кон¬
троля за состоянием внутренних каналов
лопаток и теплозащитных покрытий, и в
меньшей степени для обнаружения по¬
верхностных и подповерхностных трещин.Помимо лабораторных исследований,
описанных ниже, в последние годы появи¬
лись компании, которые предлагают ком¬
мерческие системы ТК лопаток. Напри¬
мер, фирма Thermosensorik (Германия)
создала роботизированную установку им¬
пульсного ТК турбинных лопаток (см.
табл. 7.1), которая предназначена для ав¬
томатизированных испытаний с элемен¬
тами тепловой дефектометрии.Контроль состояния внутренних
каналов лопаток газотурбинных двига¬
телей. Для минимизации потребления
топлива и повышения общей эффективно¬
сти авиационные газовые турбины долж¬
ны работать при максимально высоких
318ГЛАВА 9. ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХПокрытие:X = 1 Вт/(м-К)
а = 4,35 • 10 '1 м*/сСталь AISI304:X = 15 Вт/(м-К)
ч = 3,7 5 • 10 " м 7сВоздух:X =0,07 Вт/(м*К)
и = 5,8 • 10"5 м ”/сРис. 9.34. Схема стандартного образца теплозащитного покрытия
турбинных лопаток фирмы CESI (Италия)температурах, давлении и скорости вра¬
щения. Эти экстремальные условия соз¬
дают особые требования к качеству изго¬
товления турбинных лопаток.Технология изготовления лопаток
достаточно сложна, поэтому возможно
появление таких дефектов в системе ох¬
лаждения, как засорение каналов, "уход"
размеров и смещение каналов, залив от¬
верстий и т.п.В промышленности используют УЗ,
рентгеновский, а также нейтронный кон¬
троль качества турбинных лопаток. Ульт¬
развуковой метод малопроизводителен,
сопровождается шумовыми отражениями
ультразвука от элементов внутренней
структуры лопаток и, в принципе, мало¬
пригоден для испытаний сплавов на осно¬
ве никеля, из которых изготавливают ло¬
патки. Результаты радиационного контро¬
ля сложны в интерпретации из-за зате¬
няющего действия элементов внутренней
структуры, и только метод компьютерной
томографии позволяет получать приемле¬
мые изображения сечений лопаток, а так¬
же измерять толщину стенок с точностью
до 0,1 мм.К. Малдаг с соавторами показали, что
засорение внутренних каналов эффектив¬но обнаруживается по аномалиям поверх¬
ностного теплового поля путем пропуска¬
ния горячего (холодного) воздуха или
жидкости через каналы лопатки [133].В России аналогичная процедура
продувки лопаток горячим воздухом раз¬
работана во ФГУП ВИАМ [134]. Испыта¬
тельный стенд включает камеру из ИК-.
прозрачного материала (ИК-керамики),
которая представляет собой профилиро¬
ванный корпус, воспроизводящий межло-
паточный канал решетки в среднем сече¬
нии, устройство крепления контролируе¬
мых лопаток, блок нагревателей, блок
расходомеров, интерфейс и компьютер.
Аналогичная система коммерческого типа
разработана также в НПО "Салют".Испытано более 10 типов охлаждае¬
мых турбинных лопаток (Д18, АЛ31Ф#
оболочковые паяные лопатки, лопаиеи;
двигателей Pratt & Whitney). Установлено^
что ТК позволяет с погрешностью не 6(g
лее 10 % определять изменение диаметр|
внутренних отверстий системы охлажде|
ния паяных оболочковых лопаток, а такж(£
выявлять остатки керамики (перекрытие
одного канала приводит к поверхностном^
температурному сигналу до 1,6 °С Я*4
уровне 50 °С).
АВИАКОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА319Коммерческая система ТК внутрен¬
них каналов турбиииых лопаток разрабо¬
тана ФГУП "Салют".Контроль качества теплозащитных
покрытий. Теплозащитные покрытия
предохраняют основные металлические
компоненты в газовых турбинах и дизель¬
ных двигателях, включая турбинные ло¬
патки. В энергетической промышленно¬
сти покрытия выполнены из керамики с
нанесенным сверху металлическим слоем
состава MCrAlY (здесь "М" обозначает
металл). В авиационных турбинах лопатки
защищают от коррозии и окисления алю-
минидами платины, гамма-титан-алюми-
нидами и MCrAlY покрытиями.В силу ряда факторов (высокая чув¬
ствительность к типичным дефектам
вследствие малой толщины покрытий,
бесконтактность, наглядность и высокая
оперативность), ТК является одним из
оптимальных методов НК теплозащитных
покрытий. Научно-техническая литерату¬
ра содержит множество работ, посвящен¬
ных ТК покрытий с использованием им¬
пульсного и периодического нагрева [26,
135-147].В качестве иллюстрации на рис. 9.34,
рис. 9.35 (См. цветную вкладку) приведе¬
ны результаты ТК стандартного образца
керамического теплозащитного покрытия
на нержавеющей стали. Дискообразный
образец содержал две зоны покрытия
толщиной 0,18 и 0,32 мм и четыре рас¬
слоения различного диаметра (рис. 9.34).Образец нагревали лампами с энер¬
гией около 1500 Дж/м2 в импульсе дли¬
тельностью 10 мс. Записывали до 300 тер¬
мограмм с интервалом 20 мс (эксперимен¬
ты выполнены в CESI, Италия). Дефекты
проявлялись оптимальным образом через
0»9 с после нагрева (рис. 9.35, a), однако
при этом отношение сигнал/шум было
^ 1 и карта дефектов обнаруживала
только два дефекта при большом уровне
ложной тревоги. На фазограмме рис. 9.35,
б видны все четыре дефекта, а также зоны
с различной толщиной покрытия. Карта
Дефектов также показывает все дефекты с5 %-м уровнем ложной тревоги.Поверхностные и подповерхност¬
ные трещины в турбинных лопатках.Расследование летных происшествий и
катастроф включает анализ состояния
турбинных лопаток авиационных двигате¬
лей, изготовленных из жаропрочных ни¬
келевых сплавов. Поверхностные трещи¬
ны обнаруживают с помощью жидких пе-
нетрантов, однако этот метод непригоден
в случае забитых поверхностных и всех
подповерхностных трещин.В России исследования в области ТК
лопаток авиационных турбин были вы¬
полнены М.С. Касаткиным и В.П. Вавило¬
вым [30]. Теоретические основы метода
описаны в п. 3.8.9. При "боковом" нагреве
лопатки распространяющаяся вдоль ло¬
патки изотерма испытывает искажения в
месте нахождения трещины. В случае по¬
верхностных трещин эффект достаточно
велик и хорошо регистрируется теплови¬
зором, если турбинная лопатка помещена
одним концом в турбулизированную ки¬
пящую воду. Выявляемость подповерхно¬
стных трещин зависит от глубины их зале¬
гания и требует использования развитых
алгоритмов обработки изображений, на¬
пример, анализа производных.9.7.5. Обнаружение и оценка корро¬
зии в авиационных конструкциях. Кор¬
розия алюминиевых панелей. Старение
парка самолетов ставит задачу обнаруже¬
ния коррозии алюминиевых листов тол¬
щиной от 0,8 до 2 мм, а также зон корро¬
зионного растрескивания вокруг заклепок.
Основной акцент в соответствующих ис¬
следованиях по НК панелей самолетов
ставится на замену существующих мето¬
дов испытаний в отдельных точках более
оперативными методами. Несколько лет
назад Федеральная Авиационная Админи¬
страция США (Federal Aviation Administra¬
tion) провела тендер фирм-изготовителей
аппаратуры НК, среди которых были ор¬
ганизации, разрабатывающие тепловой
метод [148]. В результате сравнительных
испытаний нескольких пилотных систем
НК был сделан вывод о том, что потен-
320ГЛАВА 9. ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХТепловизора)б)Рис. 9.36. Тепловой контроль коррозии в панелях самолетов
(адаптировано из [149)]циальные возможности теплового метода
до сих пор полностью не реализованы и
требуют дальнейших исследований.Стандартная схема ТК самолета по¬
казана на рис. 9.36, а [149, 150]. Размер
зоны контроля обычно составляет от 0,2
до 0,5 м в зависимости от типа и мощно¬
сти нагревателя. Коммерческая аппарату¬
ра, производимая несколькими фирмами,
включает тепловизоры с высокой частотой
кадров, нагреватель на основе импульс¬
ных или галогенных ламп, а также компь¬
ютерную систему сбора и обработки дан¬
ных.Ряд систем поставляются вместе с
роботом, который осуществляет осмотр
зон контроля по определенной программе.
Основные элементы ноу-хау сосредоточе¬
ны в программном обеспечении систем; в
частности, ряд фирм используют преиму¬
щественно преобразование Фурье (Ther-
mosensorik), однако наибольший объем
продаж приходится на установки фирмы
Thermal Wave Imaging, в которых реализо¬
вана синтетическая обработка сигнала (см.
п. 5.10.3). Частью программного обеспе¬
чения являются также программы, позво¬
ляющие "сшивать" отдельные термоизо¬
бражения с учетом направления осмотра и
кривизны поверхности.Окрашенные самолетные конструк¬
ции обычно не требуют дополнительной
обработки, тогда как блестящие алюми¬
ниевые поверхности плохо нагреваются и
создают мощную отраженную помеху;
поэтому такие поверхности окрашиваютводосмываемыми красителями черного
цвета.Характерный элемент самолетной
панели показан на рис. 9.36, б. Два алю¬
миниевых листа соединены внахлест со
стрингером посредством эпоксидного клея
и заклепок (в отечественных самолетах
вместо клея используют заполнители,
препятствующие проникновению влаги).
По мере эксплуатации самолетов, закле¬
почные соединения расслабляются, вокруг
заклепок образуются поверхностные и
подповерхностные трещины, атмосферная
вода начинает проникать вглубь соедине¬
ния, вызывая коррозию вокруг заклепок,
как в первом, так и во втором алюминие¬
вом листе.Основной особенностью обнаруже¬
ния коррозии в алюминии является необ¬
ходимость импульсного нагрева и регист¬
рации термограмм с высокой частотой,
поскольку характерные времена наблюде¬
ния составляют от десятков до сотен мил¬
лисекунд. Нагрев должен быть достаточно
мощным, однако не вызывать перегрева
(испарения краски).Коррозионное шелушение в зонах
соединения алюминиевой обшивки и
силовых элементов. Во многих самоле¬
тах (в США: Е-3, В-52, С/КС-135) исполь¬
зуют стальные силовые элементы, кото¬
рые соединяют с алюминиевой обшивкой
крыльев согласно схеме рис. 9.37, а. Эле¬
менты защищают специальным покрыти¬
ем с целью избежать электрохимического
взаимодействия стали и алюминия. Ана-
АВИАКОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА321Коррозионное шелушениеГлубина залегания
трещин, мм3О 2,5 5,0 7,5Длина трещин ,мма) б)Рис. 9.37. ТК коррозии шелушением в крыльях самолетов
(адаптировано из [151]:
а - схема появления коррозии; б - параметры обнаруженных и пропущенных дефектовлогично ситуации, изображенной на
рис. 9.36, в ходе эксплуатации защитное
покрытие изнашивается, и в зонах прямо¬
го контакта двух металлов начинается то¬
чечная коррозия (pitting) и коррозионное
шелушение (exfoliation) (рис. 9.37, а).Основным методом контроля такой
коррозии является визуальный; при этом
обнаруживают зоны вспучивания обшивки
вследствие накопления продуктоь корро¬
зии, что является недопустимым дефек¬
том. Поскольку число подобных зон креп¬
ления в одном самолете достигает не¬
скольких тысяч, спрос на оперативный
метод НК, который бы обеспечил прове¬
дение ремонтных работ с меньшими за¬
тратами и продлил бы срок службы само¬
лета, остается высоким.Экспериментальные исследования
выполнены фирмой ARINC, США [151].
Использована коммерческая система
EchoTherm на базе коротковолновой ИК
камеры Amber Radiance HS (формат 256 х
256, частота кадров 120 Гц). Для нагрева
использованы две линейные импульсные
лампы с энергией 6,4 кДж каждая. Зона
контроля составляла 25 х 25 см, что обес¬
печивала одновременный осмотр от 18 до
24 креплений.Поскольку в ходе ремонта самолета
краска удаляется, для проведения ТК по¬
верхность крыла окрашивали черной во¬
досмываемой краской. Границы контро¬
лируемого участка обозначали мелом, что
делало их видными также на термограм¬
мах. Установлено, что вследствие высокой
теплопроводности алюминия, полезная
информация сосредоточена в интервале
времени длительностью всего 0,4 с, в те¬
чение которого записывали до 50 (с уче¬
том нескольких изображений перед
вспышкой) термограмм.Обработку данных проводили двумя
способами:1) путем непосредственного про¬
смотра термограмм в оптимальный мо¬
мент регистрации после вычитания фоно¬
вого изображения;2) путем анализа первой производной
по времени. Использованы образцы с мно¬
гочисленными как качественными соеди¬
нениями, так и с искусственными зонами
коррозии, причем степень коррозии под¬
тверждали путем последующего металло¬
графического анализа.Соединения с коррозией характери¬
зовались повышенной температурой и
322ГЛАВА 9. ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХувеличенным размером ’’теплого пятна"
круглой формы в течение 0,1 с после на¬
грева; оптимальное проявление дефектов
отмечено через 0,058 с. Вероятность пра¬
вильного обнаружения дефектов в резуль¬
тате простейшей обработки термограмм
составила 73,5 % при уровне ложной тре¬
воге 1,5 %. Анализ первой производной
позволил улучшить эти показатели до81,6 % и 1 % соответственно. Ограниче¬
ния теплового метода оказались связан¬
ными с длиной коррозионных трещин и
глубиной их залегания: уверенно обнару¬
живались дефектные зоны на глубине ме¬
нее 2 мм с длиной трещин более 3 мм (см.
данные рис. 9.37, б).9.7.6. Композиционные материалы.В авиакосмической промышленности ши¬
роко используют композиционные мате¬
риалы, такие как стекло- и углепластик, а
также углерод-углеродные композиты,
которые, в свою очередь, могут выступать
в качестве обшивок сэндвичевых или со¬
товых структур, усиленных металличе¬
скими или неметаллическими сотами, пла¬
стическими пенообразными материалами,
бальзой и т.п. Некоторые структуры могут
иметь слои из резины, пробки и абляцион¬
ных материалов. Получили распростране¬
ние также полностью металлические соты,
в которых обшивка соединена с ячейками
с помощью клея или сварки с припоем. В
самолетах применяют силовые элементы
(стрингеры), соединенные с металличе¬
ской обшивкой с помощью клея и закле¬
пок.Ввиду такого многообразия материа¬
лов, их сочетаний и геометрических форм
отдельных изделий, не существует един¬
ственного метода НК, пригодного для ре¬
шения всех задач, возникающих в процес¬
се производства и эксплуатации изделий
из композиционных материалов.Наиболее распространен УЗ-метод,
однако его применение, особенно в поле¬
вых условиях, ограничено низкой произ¬
водительностью и необходимостью при¬
водить объект контроля в контакт с водой.Последний фактор весьма важен, посколь
ку после проведения испытаний необхо¬
димо высушивать изделия до тех пор, пока
оно не приобретет первоначальную массуТем не менее, по информации опера-
торов-термографистов, с помощью тепд0-
визионного метода иногда находят воду в
сотах и после проведения процедур удале¬
ния воды. Общая характеристика методов
НК крупногабаритных композиционных
изделий приведена в табл. 9.5. Сравнение
теплового и ширографического (голографи¬
ческого) метода содержалось в табл. 5.4.В космической промышленности
США до сих пор широко распространен
метод простукивания крупногабаритных
панелей молотком. В то же время сущест¬
вует мнение, что этот метод создает лож¬
ное чувство надежности НК, поскольку
простукивание субъективно и имеет низ¬
кое пространственное разрешение. Опера¬
тор часто пропускает критические дефек¬
ты и одновременно фиксирует ложные
дефектные отметки.Применение данного метода в США
продолжается, поскольку он описан в це¬
лом ряде нормативных документов феде¬
рального и местного уровня. По мнению
Д. Берли, одного из известных американ¬
ских практических операторов-тер-
мографистов, имеются всс предпосылки
для замены указанного ненадежного мето¬
да комбинацией тепловидения и широгра-
фии [152].Углепластиковые композиты, отли¬
чающиеся высокой прочностью при тем¬
пературах до 100 °С, применяются в авиа¬
космической технике, в частности, при
изготовления частей крыльев и фюзеляжа
самолетов. Например, из углепластика
изготовлено большое количество панелей
истребителя Mirage фирмы Marcel Avion
Dassault (Франция).Углепластиковые композиты вклю¬
чают матрицу из углеродных волокон и
наполнитель из синтетической смолы.
Условно можно выделить микро- и макро¬
дефекты этого материала. Микродефекты
АВИАКОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА3239.5. Сравнение методов НК крупногабаритных композиционных изделий* [152]МетодСтоимостьоборудо¬ванияПортатив¬ностьПроизводи¬тельностьПространст¬венноеразреше¬ниеОсобые требо¬
ванияТКСредняяВысокаяВысокаяВысокоеНеотражаю¬
щие поверх¬
ностиЩирография(теплоголография)СредняяВысокаяВысокаяВысокоеОтражающиеповерхности**ПростукиваниеОченьнизкаяОченьвысокаяНизкаяПлохоеНенадежныйметодУЗВСредняяСредняяНизкаяВысокоеСвязующеевещество***РадиационныйСредняяСредняяНизкаяВысокоеПроблемыбезопасности*Все методы, за исключением простукивания молотком, создают изображение.Все методы требуют обучения операторов (в наименьшей степени метод простукивания)
**Поверхность не должна быть зеркальной, но должна отражать достаточное количество света.*** Существуют У 3-системы ввода сигнала через воздух или с помощью лазера, но они име¬
ют другие ограничения.связаны с целостностью матрицы, степе¬
нью отверждения наполнителя, качеством
контакта между матрицей и наполнителем
и т.п. Тепловой метод может использо¬
ваться для обнаружения конгломерата
микродефектов, например, аномальной по¬
ристости композита.Наибольшее число исследований бы¬
ло посвящено ТК макродефектов, из кото¬
рых основными являются расслоения, ко¬
торые образуются, например, в результате
ударного повреждения материала (удара
твердого предмета о поверхность компо¬
зита). На рис. 9.38, а показано, как созда¬
ют искусственные дефекты типа ударного
повреждения, которые образуются в ре¬
зультате падения металлического шарика
заданной массы с заданной высоты. Де¬
фекты такого типа имеют специфическую
форму ’’бабочки". (Рис. 9.38 - 9.42 см. на
Цветной вкладке.)Как правило, на поверхности в точке
Удара имеется незначительная, слабо ви¬димая глазом отметка, а основное тело
дефекта находится в толще композита. С
ростом глубины увеличивается площадь
растрескивания (расслоения) материала, а
соответствующие зоны поворачиваются в
такт с основным направлением углерод¬
ных волокон. Наилучшие результаты ТК
получены при нагреве образцов оптиче¬
скими импульсами длительностью 1 ... 10
мс и энергией от единиц до десятков ки¬
лоджоулей на квадратный метр, а также
при ультразвуковой стимуляции мощно¬
стью до нескольких сотен ватт.В 1998 г. по инициативе автора были
выполнены сравнительные исследования
стандартного образца из углепластика,
изготовленного Управлением по Аэронав¬
тике Франции (ONERA). Такого рода ис¬
следования, называемые по-английски
Round Robin Test (в переводе: круговой
тест) предназначены для сравнения раз¬
личных процедур НК и алгоритмов обра¬
ботки данных. Образец содержал ударное
324ГЛАВА 9. ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХповреждение, изготовленное по схеме рис.
9.38, а. При импульсном возбуждении на
нагреваемой поверхности отчетливо на¬
блюдался дефект А, расположенный непо¬
средственно под точкой удара и состоящий
из двух частей (рис. 9.38, б).Степень проявления более глубоких
частей дефектов такого типа, например
части дефекта В на рис. 9.38, б, зависит от
их глубины, толщины и размеров. На зад¬
ней поверхности образца также возможно
уверенное обнаружение различных частей
ударного повреждения, в особенности,
если они расположены близко к задней
поверхности. Термограмма рис. 9.38, в
получена группой Д. Балажа методом
раннего обнаружения, обеспечивая весьма
высокое качество воспроизведения формы
отдельных частей дефекта.Применение метода тепловой томо¬
графии позволило разделить данный обра¬
зец на четыре слоя и составить синтетиче¬
ское изображение - глубинограмму, в ко¬
торой пиксельные значения были выраже¬
ны в координатах слоев (рис. 9.39 слева).
Проверка выполнена методом УЗВ С-ска-
нирования, в результате чего была по¬
строена правая глубинограмма рис. 9.39.
Совпадение результатов теплового и УЗ-
контроля было удовлетворительным, хотя
УЗ-изображение обеспечивает лучшее
пространственное разрешение. Тем не ме¬
нее, следует иметь в виду, что время по¬
лучения УЗВ изображения составило око¬
ло 2 ч, а сам образец был помещен в воду,
что не рекомендуется для углепластика.
В то же время последовательность ИК-
термограмм была снята в течение не¬
скольких секунд, а неавтоматизированная
обработка данных по методу тепловой
томографии потребовала приблизительно
полчаса.Схема другого стандартного образца
ONERA изображена на рис. 9.40, а. Рас¬
слоения в композите толщиной 5 мм мо¬
делировали фторопластовыми вставками,
расположенными на глубинах 1,3; 2,6 и4 мм (следует заметить, что искусствен¬
ные дефекты такого типа значительно"усиливаются" из-за наличия дополни¬
тельных воздушных расслоений между
фторопластом и углепластиком).Результаты тепловой томографии по¬
казаны на рис. 9.40, б-в. Преимущество
метода хорошо видно на рис. 9.40, б, где
исходное изображение (слева), зарегист¬
рированное в оптимальный момент, от¬
четливо показывает только один дефект на
глубине 1,3 мм, тогда как другие дефекты
теряются на фоне неравномерного нагре¬
ва. Тепловая томограмма слоя 1,2
1,9 мм показывает все три дефекта, распо¬
ложенные на глубине 1,3 мм. Три после¬
довательных тепловых томограмм приве¬
дены на рис. 9.40, в, обнаруживая все
шесть дефектов (дефект на глубине 4 мм
частично затенен дефектом на глубине
1,3 мм).Углерод-углеродные композитыпредставляют собой следующий шаг в
создании температуростойких композитов
по сравнению с углепластиками. В част¬
ности, из них изготавливались наиболее
нагреваемые части европейского космиче¬
ского корабля-челнока Hermes. С учетом
более высокой теплопроводности угле¬
родных нитей, при НК таких композитов
применяют способ импульсного ТК, раз¬
работанного для углепластиков.Исследования, выполненные группой
Д. Балажа из ONERA, показали, что теп¬
ловой метод успешно обнаруживает рас¬
слоения в углерод-углеродных композитах
и позволяет оценивать их глубину залега¬
ния и толщину [153]. Испытания стан¬
дартного образца толщиной 3 мм показа¬
ли, что по сравнению с данными микро¬
графии погрешность определения глубины
расслоений составляет 10 ... 14 %. По¬
грешность оценки толщины (термического
сопротивления) дефектов достигала 95 %
однако было высказано предположение,
что сам процесс микрографии способен
изменять параметры дефектов.Полимерные композиты. Стремле¬
ние сократить собственную взлетную мас¬
су ракет-носителей привело к замене ме¬
таллов композиционными материалам#
АВИАКОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА325уясе в 50-60-е годы. Существуют разнооб¬
разные варианты изготовления несущих
элементов с использованием стеклопла¬
стиковых композитов. Например, часть
корпуса американской ракеты "Атлас" в
зоне трех двигателей изготовлена из 16
панелей, включая 4 дверных отсека [154].
Стеклопластиковые панели имеют доста¬
точно сложную конфигурацию и изготов¬
лены из алюминиевых сот, прикреплен¬
ных к стеклопластиковой обшивке с по¬
мощью липкой пленки, наполовину со¬
стоящей из алюминия. Толщина обшивки
изменяется от 1,5 до 9 мм. Отдельные со¬
товые панели соединены между собой
встык с помощью полимерного клея, ко¬
торый также содержит 50 % алюминия.
Возможные расслоения между обшивкой
и сотами "излечивают" путем инжекции
эпоксидного клея. Некоторые панели по¬
крывают дополнительной теплоизоляцией
толщиной от 1,5 до 15 мм.Использованию стандартного УЗ-
метода препятствовала необходимость
погружения панелей в воду, что приводи¬
ло к их насыщению влагой. Штатным ме¬
тодом НК длительное время служил зву¬
ковой (простукивание панелей молотком с
шагом пол-дюйма). Его преимуществами
являются портативность и низкая стои¬
мость.Недостатки звукового метода:1) трудности документирования дан¬
ных;2)субъективность;3) влияние акустических шумов
(эхо);4) высокий уровень ложной тревоги;5) качественный характер испытаний
(отсутствие оценок размеров дефектов);6) трудность формирования деталь¬
ных изображений;7) низкая производительность и воз¬
можность пропуска дефектов.В силу особенностей использованных
материалов температурные сигналы в зоне
характерных дефектов композиционных
панелей ракеты "Атлас" должны сущест¬
вовать в течение нескольких минут, по¬этому панели можно нагревать потоком
теплого воздуха (использован промыш¬
ленный фен мощностью 1750 Вт/с). Соот¬
ветствующая технология ТК была пред¬
ложена в 1990 г. Избыточная температура
панелей не превышала 10 °С. При отра¬
ботке процедуры ТК искусственные де¬
фекты создавали, вводя и удаляя металли¬
ческое лезвие между обшивкой и сотами, а
также нанося ударные повреждения. При
покрытии панелей дополнительной тепло¬
изоляцией создавали дефекты в виде не-
проклеев.Тепловой метод позволил выявлять:1) непроклеи между лицевым тепло¬
изоляционным покрытием и обшивкой
сот;2) отслоения лицевой обшивки от
стенок ячеек;3) смятие ячеек сот;4) изменения плотности алюминие¬
вых сот;5) инжектированный эпоксидный
клей;6) внутренние металлические детали;7) стеклопластиковые блоки под об¬
шивкой, которые служат для крепления
металлических деталей.Метод оказался эффективным в про¬
изводственном цикле изготовления сото¬
вых структур, поскольку обеспечивал вы¬
явление отслоений обшивки от сот при
незакрытых сотах с противоположной
стороны, что позволяло своевременно "ле¬
чить" дефекты. Было также установлено,
что отслоения обшивки от сот чаще всего
происходят в зонах с большим радиусом
кривизны и, как правило, сопровождаются
смятием сот.В лабораторных условиях для нагре¬
ва были также использованы ксеноновые
импульсные лампы с энергией 20 кДж,
галогенные лампы и даже жидкий азот,
что, однако, не привело к улучшению вы¬
являемое™ дефектов по сравнению с на¬
гревом воздухом. В работе [154] упомина¬
ется, что импульсные лампы обеспечива¬
ют высокую повторяемость и количест¬
венный характер измерений, однако они
применимы к плоским поверхностям и
326ГЛАВА 9 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХтребуют специальной подготовки при
расшифровке результатовОсновным источником помех при
испытаниях явилось отраженное излуче¬
ние посторонних высокотемпературных
источников, которое приводит к появле¬
нию на термограммах "теплых" зон, напо¬
минающих дефектные отметки Тем не
менее, обученный оператор легко иденти¬
фицировал эти ложные сигналы, посколь¬
ку они не изменяются во времениПо сравнению со звуковым способом
ИК термографический контроль обнару¬
жил следующие преимущества1) бесконтактный характер контроля,2) оперативность (испытания в ре¬
альном времени),3) высокое пространственное разре¬
шение*4) регистрацию результатов в виде
изображений и совместимость с видеотех¬
никой,5) меньшую зависимость результатов
испытаний от опыта оператора,6) относительную портативность ап¬
паратуры,7) количественный характер пред¬
ставления данных,8) возможность классификации де¬
фектовОчевидными недостатками ТК явля¬
ются меньшая портативность и большая
стоимость аппаратуры контроля по срав¬
нению с молотком, используемым для
звукового простукивания корпусов ракетСогласно работе [154], результаты
испытаний теплового метода были столь
обнадеживающими, что фирма General
Dynamics (в настоящее время фирма во¬
шла в корпорацию Martin Lockheed) заме¬
нила звуковые испытания тепловыми, для
чего были разработаны методика испыта¬
ния и стандартные образцы предприятия
(СОП), внесены изменения в производст¬
венную документацию и обучен персоналСтандартные образцы включали сле¬
дующие типы дефектов1) структурные (вариации плотности
сот и толщины обшивки, смятия ячеек,дополнительная теплоизоляция),2) несплошности (расслоения и не-
проклеи, зоны ремонта, разрушение ячеек
ударные повреждения, аномальная тод!
щина клея, увеличенное количество слоев
композита)Испытания проводили как в поме¬
щении, так и на открытом воздухе при
размещении ракеты "Атлас" на трейлере
или непосредственно на стартовой пло¬
щадке на мысе Канаверал В последнем
случае возникали помехи Солнечное из¬
лучение нагревало поверхности контроля
и создавало ложные дефектные отметки, а
также ухудшало качество изображений на
мониторе Сильный ветер, характерный
для открытых участков местности (аэро¬
порты, стартовые площадки ракет и т.п.),
снижал эффективность нагрева, а конден¬
сат изменял излучательные свойства по¬
верхности и снижал температуру нагрева
за счет высокой теплоемкости водыНаименее производительными были
испытания на стартовой площадке (5 ...
10 м2/ч) из-за погодных условий и в силу
необходимости перемещать аппаратуру
контроля При контроле отдельных частей
ракеты в помещении производительность
испытаний достигала 50 м2/ч Маркировку
дефектов производили вручную с помо¬
щью маркера непосредственно в ходе ис¬
пытанийВ СССР применяли силовые оболоч¬
ки, состоящие из сетчатого несущего или
защитного слоя, образованного намоткой
из высокомодульного армирующего мате¬
риала и одной или нескольких обшивок,
армированных различным образом [15].Чаще всего использовали три типа
силовых оболочек1) двухслойные оболочки, состоящие
из цилиндрической обшивки и сетчатой
структуры,2) трехслойные оболочки, в которых
сетчатые структуры располагаются между
двумя оболочками, а промежутки запол¬
нены, например, пенополиуретаном,
АВИАКОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА3273) многослойные оболочки, в кото¬
рых сетчатые структуры находятся внутри
пакета полимерного композиционного
^териала (ПКМ), а сверху располагаются
защитные и силовые слоиВ процессе изготовления силовых
оболочек возникают следующие дефекты1) повышенное содержание связую¬
щего в материале ребра,2) неоднородное распределение на¬
полнителя в сетчатой структуре,3) регулярный характер искривления
слоев армирующего материала в плоско¬
сти укладки "узлов" сетки,4) поры, пустоты и расслоения, осо¬
бенно в зонах соединения ребер с оболоч¬
кой, а также в самой оболочке и ребрах
Экспериментально установлено, что уве¬
личение воздушных включений и рас¬
слоений с 0,6 до 6 % снижает межслойную
прочность на 45 %, а предел прочности
при сжатии - на 37 %Отечественными исследователями
был накоплен значительный теоретиче¬
ский и практический опыт по ТК изделий
из ПКМ, выполненных методом намотки
[15]Причинами возникновения дефектов
в таких изделиях являются1) нарушение режимов эксплуатации
и хранения,2) попадание на поверхность арми¬
рующего материала в процессе изготовле¬
ния ПКМ воды, масла и др жидкостей,3) нарушения технологического ре¬
жима намотки,4) изменение ширины ленты арми¬
рующего материала,5) отсутствие адгезии между кольце¬
вым и осевыми слоями намотки,6) несовершенство механических
станков, осуществляющих намотку,7) изменения внутреннего давления
при испытаниях изделийВажно, что в результате действия
Указанных факторов возникают преиму¬
щественно воздушные включения различ¬
ных размеров, конфигурации и располо¬
жения Статистический анализ показал,что наиболее часто встречаются расслое¬
ния с раскрытием около 0,2 мм Установ¬
лено, что для выявления 97 % всех рас¬
слоений необходимо обеспечить обнару¬
жение дефектов с раскрытием 0,23 ±
0,03 мм и размерами (25 х 25) ±1 мм и
более [15]Оптимизация процедуры ТК цилинд¬
рических изделий из стеклопластика свя¬
зана с теоретическим решением двумер¬
ной задачи активного ТК В отечественной
литературе имеется значительное число
публикаций, в которых проанализированы
основные зависимости поверхностного
температурного сигнала от параметров
дефекта и внешних условий Тепловой
контроль стеклопластиковых композитов
явился полигоном испытаний алгоритмов
решения обратных задач [15,40,70]В частности, Д А Рапопортом,0 Н Будадиным, Е В Абрамовой разра¬
ботан способ определения параметров
расслоений в стеклопластике, основанный
на минимизации функционала, образован¬
ного разностью экспериментальных и тео¬
ретических данных Алгоритм был опро¬
бован в 80-е годы на компьютерах типа
ЕС, время счета параметров одного дефек¬
та составляло несколько десятков минут
Ускорение сходимости алгоритма было
достигнуто за счет оптимального выбора
начального приближения, т е при наличии
априорных сведений о параметрах дефек¬
товВ современных математических па¬
кетах, например MatLab, процедура нели¬
нейной фильтрации, основанная на мини¬
мизации функционала и оценке несколь¬
ких неизвестных параметров по вводимой
модели процесса, является стандартной
Тем не менее, даже на современных пер¬
сональных компьютерах решение задачи
идентификации может потребовать до1 мин процессорного времени для расчета
одного пиксельного значения в зависимо¬
сти от количества неизвестных парамет¬
ров и степени соответствия выбранной
модели экспериментальным данным
328ГЛАВА 9. ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХВ настоящее время алгоритмы иден¬
тификации продолжают разрабатываться
группой В.А. Стороженко (Харьковский
Государственный Технический Универси¬
тет, Украина).9.7.7. Узлы космических челноков
и ракет. Узлы и конструкции авиакосми¬
ческой техники могут представлять собой
сложные сочетания разнородных материа¬
лов, соединенных клеем, сваркой и за¬
клепками, поэтому классификация облас¬
тей применения ТК только по материалам
зачастую теряет смысл. В данном пара¬
графе описано применение теплового ме¬
тода для решения некоторых конкретных
задач контроля.Выполнение в США программы соз¬
дания космических челноков сопровожда¬
лось усиленной разработкой новых мето¬
дов НК, включая тепловой (аналогичная
ситуация имела место в СССР при выпол¬
нении программы "Буран"). Попытки ре¬
шить задачи контроля, которые не реша¬
ются стандартными методами, особенно
важны в свете последней катастрофы кос¬
мического челнока Columbia в 2003 г.,
поскольку проблемы с качеством тепло¬
защиты, независимо от того, возникли они
в результате разрушения части конструк¬
ций или воздействия посторонних сил,
явились, по многим данным, причиной
катастрофы.Ускорители твердотопливной ракеты
космического челнока крепятся хомутами,
элементы которых покрыты специальной
смазкой, предотвращающей преждевре¬
менное истирание металла [155]. Толщина
смазки составляет от 0,03 до 0,08 мм.
Применение стандартной процедуры ак¬
тивного ТК показало, что тепловой метод
способен фиксировать изменения толщи¬
ны смазки до 0,003 мм и отлично выявлять
несмазанные участки.Параллельно была решена задача ТК
царапин на поверхности стали, наличие
которых также приводит к преждевремен¬
ному истиранию хомутов [155]. Штатная
процедура предусматривает удалениесмазки и осмотр труднодоступных мест с
помощью зеркал. В ходе оценки толщины
смазки было установлено, что царапины
на поверхности стали легко обнаружива¬
ются термографически, что существенно
упростило процедуру испытаний.Наконец, тепловой метод оказался
полезным при оценке качества системы
теплозащиты в местах крепления хомутов.Целостность теплозащиты важна, по-
скольку оторвавшиеся при старте куски
"пробки" могут повредить теплозащитные
плитки челнока (именно это стало причи¬
ной разрушения корабля Columbia). При
лабораторных испытаниях стандартных
образцов тепловым методом были обна¬
ружены воздушные дефекты в "пробке"
размером до 3,3 мм. При полевых испыта¬
ниях теплозащиты одного из космических
челноков были выявлены дефекты, про¬
пущенные стандартным простукиванием
молотком.Компоненты твердотопливных ракет
для вывода космических челноков изго¬
товлены методом формования (molding) из
отдельных сегментов, причем по краям
сегментов топливо разделено материалом,
который называется ингибитором. С точки
зрения НК такая конструкция характери¬
зуется следующими особенностями [156]:1) целостность всех связующих
плоскостей является необходимым усло¬
вием функционирования двигателей;2) готовые структуры не могут быть
разобраны для проведения испытаний.Испытания проводят на месте перед
покрытием отдельных сегментов ингиби¬
тором и сборкой их в единый двигатель.
Контролю подлежат возможные расслое¬
ния между ингибитором и прокладкой, а
также между прокладкой и топливом.В силу соотношения толщин и ТФХ
слоев (ингибитор: а = 1,31 • 10"7 м2/с; про¬
кладка: а = 0,9610"7 м2/с; топливо:
а = 1,78 • 10"7 м2/с) авторы работы [156]
выдвинули концепцию так называемого
"замещенного нагрева" (proxy heating),
согласно которой нагрев поверхности ин¬
гибитора с помощью фена приводит к
АВИАКОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА329равномерному прогреву прилегающих
участков топлива. Масса топлива, в свою
очередь, начинает действовать как нагре¬
ватель; таким образом, по мнению авто¬
ров, процедура ТК из односторонней пре¬
вращается в двустороннюю.В свете существующих алгоритмов
моделирования процесса теплопередачи в
дефектных структурах, нет необходимости
прибегать к столь приближенным моде¬
лям; однако, во всяком случае, на термо¬
граммах искомые расслоения проявлялись
слабо, и была предложена процедура об¬
работка данных с помощью второй произ¬
водной.Проблему выбора оптимального ме¬
тода НК можно проиллюстрировать на
примере испытаний криогенных резервуа¬
ров ракеты Atlas/Centaur, которая встала
перед фирмой General Dynamics (США)
после перехода к новому типу теплозащи¬
ты резервуаров с жидким водородом [157].
В настоящее время сверхпрочный сталь¬
ной корпус резервуаров защищен пенооб¬
разным пластическим материалом, и не¬
разрушающим испытаниям подлежит ка¬
чество клеевого слоя между сталью и "пе¬
ной".Гипотетический оптимальный способ
НК должен удовлетворять следующим
требованиям:1) бесконтактность (не повредить те¬
плозащиту);2) портативность (для работы на
стартовой площадке);3) односторонний доступ к теплоза¬
щите;4) минимальный размер выявляемого
непроклея 100 мм;5) производительность испытаний от1 до 60 м2/ч.Фирма провела сравнительные испы¬
тания звукового, УЗ, теплового, широгра-
фического, радиографического и механи¬
ческого (вакуумного) метода НК. Тепло¬
вой метод, как и УЗ, обнаруживал дефек¬
ты только при нагреве со стороны метал¬
ла* Оптимальным оказался методширографии.В США начато выполнение програм¬
мы работ по созданию космического ми¬
ни-корабля Х-33. Руководителем про¬
граммы является Управление по аэронав¬
тике США NASA, а систему тепловой за¬
щиты разрабатывает фирма BF Goodrich
Aerospace (бывшая Rohr). В теплозащите
челнока будут использованы новейшие
материалы, в частности, части, подвер¬
женные максимальной тепловой нагрузке
(носовая часть, крылья) будут изготовле¬
ны из углерод-углеродного композита.
Другие ответственные компоненты плане¬
ра будут изготовлены из металлических
сот (сплав Inconel) с толщиной обшивки
0,15 мм. Верхние части планера, подвер¬
женные меньшей тепловой нагрузке, бу¬
дут изготовлены из алюминиевых сот с
углепластиковой обшивкой, покрытых
высокотемпературной керамикой. Тепло¬
вой метод используется для 100 %-го кон¬
троля металлических и углепластиковых
сот.Для контроля углепластиковых сот
первоначально планировалось применить
УЗ НК, однако затем этот метод был заме¬
нен тепловым в силу следующих причин
[158]:1) ТК обладает значительно более
высокой производительностью испытаний
(приблизительно 13 м2/ч);2) расходы на испытания тепловым
методом ниже, чем УЗ;3) испытания могут производиться в
цехе без необходимости транспортировать
крупногабаритные панели в лабораторию
УЗ контроля, поскольку при этом сущест¬
вует возможность повреждения компози¬
тов;4) погружение обшивки сот в воду,
необходимое при проведении УЗ испыта¬
ний, нежелательно, поскольку может при¬
вести к накоплению воды в ячейках сот
(тепловой метод позволяет как обнаружи¬
вать воду в сотах, так и контролировать
процесс ее удаления).Использована та же процедура ак¬
тивного ТК, что и в случае испытаний
330ГЛАВА 9. ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХкомпозиционных материалов ракеты Atlas
(см. выше). Дополнительным преимуще¬
ством ТК явилось то, что в результате
многочисленных инспекций была уста¬
новлена определенная система в локали¬
зации малых дефектов, что позволило из¬
менить к лучшему технологию изгото¬
вления панелей.Что касается металлических сот из
сплава Inconel, то в корабле Х-33 должно
быть использовано до 1600 панелей, кон¬
троль которых наиболее целесообразен,
применяя тепловой метод. В этом случае в
качестве нагревателя использовали им¬
пульсную лампу с энергией 12,8 кДж,
температуру регистрировали с помощью
тепловизора фирмы Santa Barbara Focal
Plane (фотоприемник из InSb, 640 х 512).
Полученные после соответствующей об¬
работки термограммы позволяли выявлять
дефекты сварки с припоем на уровне от¬
дельных сот.9.8. НЕФТЕХИМИЧЕСКОЕ
ПРОИЗВОДСТВОЭнергоемкое нефтехимическое про¬
изводство характеризуется непрерывно¬
стью технологического процесса и высо¬
кой стоимостью установок. Мировые неф¬
техимические компании являются важны¬
ми потребителями тепловизоров, которые
окупают себя в среднем за 0,5 ... 1 год.
Согласно зарубежному опыту, выделяют
пять основных областей применения теп-
ловизионной диагностики на нефтепере¬
гонных и нефтехимических предприятиях
(табл. 9.6):1) проверку состояния электрообору¬
дования;2) контроль технологических линий;3) контроль состояния футеровки и
изоляции;4) измерение температуры печных
труб;5) оценку энергопотерь.9.6. Тепловизионная диагностика в нефтехимической промышленности
(данные Т.С. Нурды, FLIR Systems)Примене¬ниеОборудованиеПризнаки де¬
фектностиПричиныдефектностиПоследствияЭлектро¬
распредели¬
тельные сис¬
темыПовышеннаятемператураИзменение сопро¬
тивления вследст¬
вие коррозии, де¬
фектной изоляции
или механическо¬
го поврежденияВыход из строяЭнерго¬снабжениеПодшипникиэлектрообо¬рудованияПовышеннаятемператураПерегрузка, не¬
достаточная или
неправильная
смазкаПовреждение под¬
шипниковХлорные, фто-
ровые, элек¬
тролитические
элементыПовышеннаятемператураНедостаточная
затяжка болтаНеэффективность
производства,
снижение мощно¬
стиТрансформа¬
торы, преры¬
ватели цепей,
разрядникиПовышеннаятемператураРазличныеВыход из строя
НЕФТЕХИМИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО331Продолжение табл. 9.6Примене¬ниеОборудованиеПризнаки де¬
фектностиПричиныдефектностиПоследствияПредохрани¬тельныеклапаныПовышеннаятемпературатрубопроводаМеханическое по¬
вреждение, изно¬
шенные задвиж¬
ки/седлаПотери продуктаЛовушки параПовышеннаятемператураМеханическаянеисправностьУтечки пара (по¬
тери энергии)ПроцесснаяжидкостьПодземныетрубопрово¬дыПовышеннаятемператураУтечки вследст¬
вие коррозии или
дефектной сваркиПотери продукта,
загрязнениеЦистерны,емкостиРазность тем¬
ператур паро¬
образной,
жидкой и
твердой фазНаличие уровня
жидкой или твер¬
дой фазыЗагрязнение про¬
дукта, сбои в про¬
цессе опорожне¬
ния, неточная ин¬
формация о со¬
держимомГ азопроводы,
трубопрово¬
дыГорячие/хо¬
лодные пятна
или участкиОбразование жид¬
кой/твердой фазыУменьшение по¬
тока процессной
жидкости, заку¬
поркаТеплообмен¬никиТемператур¬
ные аномалии
относительно
эталонного
распределе¬
нияОтложения, износ
оболочкиУменьшение по¬
тока процессной
жидкости, обра¬
зование отверстий
в трубахВоздушныехолодильникиОтдельные
трубы имеют
пониженную
температуруОбразование от¬
ложений, заку¬
поркаСнижение потока
процессной жид¬
кости и ухудше¬
ние теплопереда¬
чи, перегрев трубФутеров¬
ка и изо¬
ляцияЕмкости ре¬
акторов, тру¬
бопроводыПовышеннаятемператураИзнос футеровки,
растрескиваниеОбразование от¬
верстий, разрывы в
результате ползу¬
чести/напряжений,
воздействия во¬
дорода и высокой
температуры
332ГЛАВА 9 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХПродолжение табл 9.6Примене¬ниеОборудованиеПризнаки де¬
фектностиПричиныдефектностиПоследствияФутеров¬
ка и изо¬
ляцияДымовые тру¬
бы, каналы от¬
вода топочных
газовПовышеннаятемператураДефекты футеров¬
ки, растрескива¬
ниеПрогорание, раз¬
рывы в результате
ползучести/напря-
жений, воздейст¬
вия серной кисло¬
тыТрубопрово¬
ды, емкости,
печи, тепло¬
обменники,
реакторы,
строительные
сооруженияГ орячие/хо-
лодные пятна
или участкиПоврежденная
или недостаточ¬
ная изоляция, ув¬
лажненная изоля¬
ция, лед в изоля¬
ции криогенных
трубопроводовПотери энергии,
понижение про¬
изводительности
и сбои в процессеПечиТрубы и про¬
чие внутрен¬
ние узлы трубПовышенная
температура
отдельных
труб или
участков трубИзлишнее пламя,
плохой факел пла¬
мени, закоксова-
ние, внешние от¬
ложенияОкисление, раз¬
рывы в результате
ползучести/нап¬
ряжений, простои,
сокращение срока
службы трубПропарка
труб печиХолодные
пятна на тру¬
бахНеполное удале¬
ние коксаПониженная тем¬
пература при пус¬
ке печи, сокраще¬
ние рабочего цик¬
лаГорячие пят¬
на на трубахНеправильная
химическая очи¬
стка для удаления
накипиПерегрев, окисле¬
ние, неисправ¬
ность в результате
разрыва, сокра¬
щение рабочего
циклаЭкономияэнергииТрубопрово¬
ды, емкости,
печиТемпература
выше опти¬
мальнойПовышение рас¬
ходов на энергиюНеэкономичностьпроцессаВ последние годы многие российские
нефтехимические заводы, нефте-, газодо¬
бывающие и транспортирующие компа¬
нии также внедряют программы теплови-
зионных обследований В связи с действи¬
ем федерального закона о промышленной
безопасности периодическому обследова¬нию подлежат установки основного про¬
изводства и вспомогательные объекты,
обслуживающие эти установки, например
дымовые трубы.С помощью тепловизоров анализи¬
руют температуру химических реакторов,
которая нормирована в критических точ¬
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА333ках (рис. 9.41, а). Тепловидение позволяет
отслеживать уровень продукта в резервуа¬
рах, особенно, если температура продукта
существенно отличается от температуры
окружающей среды (рис. 9.41, б). (См.
цветную вкладку). Эффективно обследо¬
вание теплозащиты резервуаров с жидким
аммиаком, являющееся штатной процеду¬
рой на ряде российских предприятий.9.9. РАДИОЭЛЕКТРОНИКАИсследования температурных полей
изделий радиоэлектроники, особенно
микроминиатюрных, осложняется их ма¬
лыми габаритами, высокой плотностью
упаковки деталей, слабыми температур¬
ными сигналами и значительным разбро¬
сом коэффициента излучения. ИК устрой¬
ства, в том числе со световодными кана¬
лами передачи излучения из труднодос¬
тупных мест, эффективнее контактных
датчиков, поскольку контроль является
неразрушающим и бесконтактным, диапа¬
зон измеряемых температур не ограничен
и имеется возможность измерения в
большом количестве точек с пространст¬
венным разрешением, ограниченным
только волновым пределом.Фирма IBM (США) применяет ТК
для обнаружения неисправностей элек¬
тронных плат и прогнозирования их ре¬
сурса. Компания Radio Systems Sweden
(Швеция) оптимизировала системы мо¬
бильной телефонной связи путем термо-
графирования электронных стоек, для ко¬
торых прежний способ контроля наощупь
оказался непригодным.Особенностью ТК изделий радио¬
электроники является наличие прямой
связи ресурса изделий с их температурой.
Для ряда компонент (транзисторов, дио¬
дов, оксидных катодов, резисторов) име¬
ются соответствующие статистические
зависимости. Оперативность ТК наглядно
проявляется при испытаниях большого
количества однотипных плат, стоек, узлов
и отдельных элементов. Тепловые поля
таких изделий хорошо коррелированны,
поэтому для получения заключения об ихкачестве не требуется сплошного скани¬
рования. Обычно достаточно измерить
температуру в 10 ... 100 точках растра,
затем сформировать набор информатив¬
ных признаков и применить тот или иной
алгоритм распознавания образов.Дешифрирование термограмм произ¬
водит оператор или автоматизированная
система. Операторная оценка эффективна
при обнаружении дефектов, которые су¬
щественно изменяют эталонное темпера¬
турное поле изделий, например, в резуль¬
тате обрывов, коротких замыканий или
изменений номинала.Специалистами фирмы Ericsson
(Швеция) установлено, что интегральные
схемы, на корпусе которых отсутствуют
локальные перегревы, имеют больший
срок службы. Контроль внутренних де¬
фектов микросхем, характеризующихся
слабыми температурными сигналами,
проводят при снятых корпусах и исполь¬
зуют более сложные критерии разбраков¬
ки.Аппаратурную основу ТК в радио¬
электронике составляют микропирометры
и тепловизоры-микроскопы. В пиромет¬
рические комплекты для ТК микросхем и
других полупроводниковых приборов
входят программируемые столы и автома¬
тизированные системы обработки данных.
Например, тепловизионная микроскопи¬
ческая система CompuTherm фирмы EDO
обладает пространственным разрешением
15 мкм при чувствительности 0,1 °С в ин¬
тервале температур от комнатной до
+600 °С. Время формирования кадра отно¬
сительно велико 2 с, однако нестационар¬
ные температурные процессы можно фик¬
сировать с постоянной времени до
60 мкс. Система позволяет контролиро¬
вать качество нанесения покрытий, опре¬
делять тепловое сопротивление, обнару¬
живать короткие замыкания и разрывы
проводников микросхем и т.п.В СССР исследования в области ТК
радиоэлектронных компонент было доста¬
точно интенсивными (ВНИИ "Электрон-
стандарт”), в частности, были созданы
системы контроля 14ЭЭП300-021,
334ГЛАВА 9. ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХ9.7. Тепловой контроль радиоэлектронных компонентОбъекты ТКОбнаруживаемые дефектыПримечания■ШПолупроводни¬
ковые изделияДефекты р-n перехода (поверх¬
ностная деградация, электроми¬
грация, межметаллические со¬
единения, "шнурование" тока,
мезоплазма); неравномерная
плотность тока; трещины, газо¬
вые пузыри между кристаллом и
основанием, неоднородность
состава исходного материала;
дефекты теплоотвода, диффузи¬
онной сварки; повреждения кри¬
сталла; обрыв проводов и корот¬
кие замыкания.Во многих случаях показателем?
дефектности является тепловое:
сопротивление. Перспективно
импульсное питание, при кото^
ром определяют время тепловой
устойчивости и переходную те¬
пловую характеристику. Скры¬
тые дефекты хорошо локализу¬
ются на термограммах.ИнтегральныемикросхемыДефекты теплоотвода; обрыв
выводов; короткие замыкания;
некачественная металлизация;
сколы резистивной пленки; пло¬
хая адгезия и термокомпрессия;
пробой конденсаторов; объем¬
ные дефекты полупроводнико¬
вого материала.Пространственное разрешение
достигает 20 ... 50 мкм. Испыта¬
ния проводят со снятой крыпк
кой в 50 ... 100 информативных1
точках.Многослойные
печатные платыУтонение и коррозионный износ
проводников; некачественная
металлизация; отслоение про¬
водников.Используют импульсный нагрев
электрическим током (в ряде
случаев, оптический нагрев).
Температурное поле имеет
сложную топологию, требуются
эталоны.Узлы и блоки
радиоэлектрон¬
ной аппаратурыНеправильное подключение
элемента в схеме; некачествен¬
ный монтаж; неудачное разме¬
щение элементов на плате.Тепловой контроль эффективен;
при проектировании, изготовле¬
нии и функционировании узлов.
Рекомендуется в массовом про¬
изводстве однотипных узлов при
наличии эталона. Оптимизация
ТК состоит в выборе информа¬
тивных точек, тестового воздей¬
ствия и подавлении излу-
чательных помех.РезисторыЛокальные утонения; непрово¬
дящие включения; плохие кон¬
такты; трещины.В случае ТК цилиндрических,
резисторов снимают четыре
профиля по образующей и срав- i
нивают с эталоном.Размер обнаруживаемого де-у;
фекта: 15 х 15 мкм. ^
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА335Продолжение табл. 9.7Объекты ТКОбнаруживаемые дефектыПримечанияКонденсаторыПробой электролитических кон¬
денсаторов; замыкания слоев
конденсаторов в микросхемах.Контроль осложнен низким
уровнем сигнала и наличием
излучательной помехи.ПроволокаУтонения; трещины.Используют контактный нагрев
электрическим током и бескон¬
тактный СВЧ нагрев. Произво¬
дительность ТК - до 4 м/мин.
Фиксируют изменения толщины
проволоки до 20 мкм.Катодные узлыНеравномерность покрытия.Повышение температуры на
50 ... 60 °С снижает долговеч¬
ность катода на порядок. ТК в
режиме глубокого недокала
снижает производственные до¬
пуски и исключает рентгеноте¬
левизионный контроль.Высокотемпе¬
ратурные пле¬
ночные покры¬
тияОтслоения от подложки; нерав¬
номерность толщины.Наиболее эффективен нестацио¬
нарный ТК. Время существова¬
ния полезных сигналов - до де¬
сятков мс.Контроль свар¬
ки выводов ин¬
тегральной
схемы (ИС) с
контактными
площадками
печатных платНесплавление вывода с площад¬
кой; расплавление золотого по¬
крытия в межэлектродном зазо¬
ре; стекание золота на контакт¬
ную площадку; расплавление
выводов ИС и появление углуб¬
лений; перегорание вывода и
контактной площадки.При стандартном точечном теп¬
ловом воздействии темпера¬
турные отклики бездефектных
сварных соединений характери¬
зуются определенными значе¬
ниями амплитуды и характерно¬
го времени теплопередачи. Про¬
блема - разброс излучательных
свойств.09ЭИ-1, АСТД и др. [159, 160]. Теорети¬
ческие основы моделирования процесса
ИК-контроля и прогнозирования рабочего
ресурса радиоэлектронных компонент
были обобщены еще в 1974 г. Н.С. Дани¬
линым с соавторами [161]. В настоящее
время, судя по отсутствию публикаций,
указанные работы оказались свернутыми,
по-видимому, в связи с повсеместным пе¬
реходом российской электронной про¬
мышленности на зарубежные комплек¬
тующие.Как отмечено выше, существенной
методической проблемой при использова¬
нии ТК в радиоэлектронике является раз¬
брос излучательных свойств используе¬
мых материалов, который может превы¬
шать 15 %. В отличие от ТК дефектов в
конструкционных материалах, в радио¬
электронике часто нужно знать абсолют¬
ную температуру отдельных элементов,
поскольку она влияет на их ресурс. Для
выравнивания излучательной способности
фирма IBM в свое время применяла белое
336ГЛАВА 9 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХпорошкообразное покрытие из оксида
алюминия, причем чувствительность ТК
была такова, что позволяла обнаруживать
повреждение отдельного штырькового
вывода 28-контактной интегральной схе¬
мыПрограмма EQUAL (FLIR Systems)
предусматривает предварительный равно¬
мерный нагрев изделия, например печат¬
ной платы, в боксе с температурой 40
50 °С, после чего составляют карту рас¬
пределения коэффициента излучения За¬
тем снимают тепловое поле изделия в ра¬
бочем режиме и преобразуют его в карту
истинных температур с учетом измерен¬
ных пиксельных значений коэффициента
излученияВ условиях серийного производства в
электронной промышленности к ТК
предъявляют следующие требования1) высокая временная стабильность
аппаратуры (достигается периодической
калибровкой с помощью встроенных мо¬
делей АЧТ),2) геометрическая привязка точек по¬
верхности и результатов измерений (обес¬
печивается в автоматизированных систе¬
мах),3) исключение влияния коэффициен¬
та излучения,4) высокое быстродействие, которое
необходимо для испытаний изделий с ма¬
лой тепловой инерцией (пленок и микро¬
схем) и 100 %-го контроля большого ко¬
личества однотипных изделий,5) необходимость оптимизации ре¬
жима питания, который может как совпа¬
дать с рабочим режимом, так и представ¬
лять определенную комбинацию тестовых
воздействий, причем последний способ
обеспечивает преимущественное выявле¬
ние отдельных типов дефектов,6) выбор контрольных точек, в кото¬
рых температурный сигнал наиболее кор¬
релирован с дефектами,7) внедрение автоматизированных
систем, которые имеют высокую стои¬
мость и выпускаются ограниченными пар¬
тиямиОсновные объекты ТК в радиоэлек¬
тронике описаны в табл 9 7 и книгах [Ю
159-161]В качестве иллюстрации на рис 9.42
показано тепловое поле платы персональ¬
ного компьютера, указывающее на нали¬
чие перегретых компонент (См цветную
вкладку )9.10. ЛИСТОВОЙ МЕТАЛЛОПРОКАТДефекты металлопроката (трещины,
расслоения, пустоты, флокены и др) сни¬
жают выход годного продукта Аппарату¬
ра НК таких дефектов должна быть бес¬
контактной, оперативной и выдерживать
высокие температуры На металлургиче¬
ских предприятиях, в основном, применя¬
ют УЗ-метод, причем ввод и съем ультра¬
звукового излучения производят через
струю воды Известны также разработки в
области радиационного метода, однако
необходимость защиты от радиации сужа¬
ет область их примененияРоссийская фирма "ВЕМО" разработа¬
ла автоматизированную систему активного
ТК дефектов металлопроката [15], в которой
нагрев движущегося по рольгангу металли¬
ческого листа производят с помощью пло¬
щадочного нагревателя (предложено приме¬
нять газовые горелки или линейчатые лам¬
пы типа КГ-220-1000) Съем информациио распределении температуры на поверхно¬
сти листа, противоположной нагреву, про¬
изводят с помощью нескольких тепло¬
визоров или линейных сканеров В пилот¬
ной установке использована тепловизионная
система Thermovision 550, которая на рас¬
стоянии 6 м от листа обеспечивает поле об¬
зора 2 х 2 м при пространственном разре¬
шении 4 ммВ промышленной системе предусмот¬
рено использование нескольких теплови¬
зоров (оптических головок) для того, что¬
бы обеспечить полное перекрытие дви¬
жущегося листа по ширине с сохранением
требуемого пространственного разреше¬
ния Плотность энергии нагрева должна
быть от 100 до 400 кВт/м2, а время нагрева
каждой точки 0,5 1 с при скорости
ЛИСТОВОЙ МЕТАЛЛОПРОКАТ3379.8. Сравнительные характеристики систем теплового и
УЗ НРК металлопроката (адаптировано из [6])Технический параметр системыСистема ТКСистема УЗ НКТребуемое(желательное)значениеРазмер минимального выяв¬
ляемого дефекта, мм252Толщина контролируемого ма¬
териала, мм0,5 303 300,5 30Ширина контролируемого
участка, мм50 4000
(зависит от на-
греват еля)50 2500
(ограничено ли¬
нейкой УЗ-пре-
образователей)50 5000Максимальная температура
материала, °С500100800Максимальная скорость пере¬
мещения материала, м/с313Возможность контроля непод¬
вижного объектаИмеетсяНе имеетсяИмеетсяДиапазон изменения толщины
объекта контроля, %8010100Возможность контроля изде¬
лий произвольной формыИмеетсяНе имеется
(только листы)ИмеетсяДопустимые случайные от¬
клонения положения объекта
относительно системы кон¬
троля, мм10010100Точность определения коор¬
динат дефектов, мм10155Точность определения глуби¬
ны залегания дефектов, % от
толщины материала103010Наличие контакта с контроли¬
руемым объектомБесконтактный
(3000 мм)Контактный (10 мм
через иммерсион¬
ную среду)Бесконтакт¬ныйУровень требований к качеству
_ контролируемой поверхностиСреднийВысокийНизкийУровень требований к состоя¬
нию окружающей средыСреднийВысокийНизкийЦена, тыс долларов США47010 000-
338ГЛАВА 9 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХперемещения сортового металлопроката
от 100 до 2200 мм/с При указанных пара¬
метрах контроля время анализа одного
кадра составляет 1 с, причем 0,04 с уходит
на запись температуры, а 0,96 с отводится
на обработку информацииВ момент начала движения металло¬
проката с датчика перемещения в компью¬
тер поступает стартовый сигнал, который
инициирует блок управления нагревате¬
лем и программу ввода и анализа темпера¬
турных полей Через оптимальное время
контроля, величина которого задается
оператором, нагретый участок поверхно¬
сти проката визируется тепловизоромВ работе [15] подробно описаны эта¬
пы моделирования активного ТК путем
теоретического решения соответствующей
задачи ТК и оптимизации парамефов ап¬
паратуры В соответствии с теорией, из¬
ложенной в главах 2 и 3, оптимизации
подлежат мощность и длительность на¬
грева, а также оптимальное время наблю¬
дения критериев дефектности, в качестве
которых выбраны температурный сигнал
АТ и текущий контраст С — АТ/Т В про-
[раммном обеспечении предусмотрено
решение обратной задачи ТК, что позво¬
ляет оценить площадь, глубину и раскры¬
тие (толщину) обнаруженных дефектов
Основными факторами помех явля¬
ются наличие окалины, ржавчины, поли¬
рованных зон, трещин, изменения толщи¬
ны листа и температуры окружающей сре¬
ды Окалина и ржавчина являются тепло-
изоляторами, что приводит к локальным
повышениям температуры листа, однако,
по мнению авторов, параллельный
больший отток тепла в этих местах не
приводит к существенным изменениям
средней температуры листаУчастки с полированной поверхно¬
стью ведуг себя аналогичным образом,
однако в моменг их прохождения в поле
зрения тепловизора они создают блики,
которые могут фиксироваться автомати¬
зированной системой в качестве дефектов
Биения листа металлопроката в пределах
50 мм изменяют поглощенную мощностьна 10%, но не сказываются на достоверно¬
сти выявления дефектов, поскольку ос¬
новным информативным критерием явля¬
ется текущий контраст С Аналогичным
образом слабо сказываются на результатах
ТК изменения толщины листа Влиянием
трещин также можно пренебречь в силу
малых размеров зон возмущения Темпе¬
ратура окружающей среды вносит посто¬
янную составляющую в основной сигнала
не сказывается на принятии решения о
качествеДля метролот ической аттестации
системы ТК металлопроката использова¬
ны стандартные образцы, в которых рас¬
слоения имитированы воздушными полос¬
тями, закрытыми пробками из металла.
Автоматизированная система ТК обеспе¬
чивала обнаружение дефекюв диаметром
5 мм и раскрытием 0,05 мм с погрешно¬
стью оценки площади и контура дефектов
не более 12 % Очевидно, что столь высо¬
кие параметры обнаружения требуют ис¬
пользования специальных алгоритмов об¬
работки информации, которые способны
существенно увеличить отношение сиг¬
нал/шумВ табл 9 8 приведено сравнение сис¬
тем теплового и УЗ НК Видно, что пара¬
метрам, предьявляемым потребителями к
гипотетической оптимальной системе НК,
в наибольшей степени соответствует сис¬
тема ТК9.11. СВАРНЫЕ И ПАЯНЫЕ
СОЕДИНЕНИЯ9.11.1. Кошроль температуры в
процессе сварки. Замена ручной сварки
роботизированной является одной из тен¬
денций современною промышленного
производства Качество сварных соедине¬
ний при автоматизированном процессе
зависит от того, как роботы адаптируются
к изменениям параметров свариваемых
материалов, сварочной аппаратуры и гео¬
метрической конфигурации процесса
сварки Флуктуации многих параметров
считаются случайными, поэтому их кон¬
троль в реальном времени и активное воз¬
СВАРНЫЕ И ПАЯНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ339Рис. 9.43. Л инейно-сканирующий ИК пирометрический датчик
для кон I роля за 1емпературой при сварке (адаптировано из [162])действие на процесс сварки может повы¬
сить качество сварных швов Термин "ак¬
тивный" применительно к таким системам
часто означает либо управление парамет¬
рами сварки, либо подсветку с помощью
искусственного источника, например ла¬
зера Пассивные устройства могут рабо¬
тать либо по отражению, либо по собст¬
венному излучению материалов в зоне
сваркиМногие из активных оптических уст¬
ройств чувствительны к профилю поверх¬
ности свариваемых магериалов впереди
сварочной ванны, их эффекгивность огра¬
ничена определенной временной задерж¬
кой между моментом контроля и момен¬
том сварки Этого недостатка лишены
пассивные пирометрические системы, ко¬
торые измеряют температуру в зоне сва¬
рочной ванны Геометрическая форма сва¬
рочной ванны, абсолютные значения тем¬
пературы и степень симметрии темпера¬
туры непосредственно связаны с парамет¬
рами, влияющими на качество сварки, а
именно, с позиционированием сварочного
узла, раскрытием корня, ТФХ и толщиной
материаловВозможности устройств видимого и
ближнего ИК диапазона ограничены из¬
мерением температуры самой ванны и
близлежащих участков, а также наличием
сильной помехи со стороны сварочной
дуги, имеющей температуру от 10000 до
15000 К, поэтому разработаны устройства
контроля более низких температур свари¬
ваемых материалов, работающие в сред¬
неволновом ИК-диапазоне Численный
анализ процесса сварки, результаты кото¬
рого описаны в [162], показали, что сигна¬
лы управления процессом сварки могут
быть получены на основе измерения тем¬
пературы вдоль определенной линии, рас¬
положенной впереди зоны сварки перпен¬
дикулярно движению сварочной головки
Этот вывод позволяет избежать ис¬
пользования дорогостоящих тепловизо¬
ров, ограничившись точечными или ли-
нейно-сканирующими пирометрами Тех¬
ническое исполнение таких пирометров
чаще всего связано с использованием ИК-
световодов, которые способны выдержи¬
вать воздействие агрессивной среды в зо¬
не сварки и передавать ИК-излучение к
фотоприемнику, расположенному на не¬
340ГЛАВА 9 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХкотором расстоянии В простых пиромет¬
рах измеряют температуру основного ме¬
талла на фиксированном расстоянии впе¬
реди края сварочной ванны, что поставля¬
ет информацию о ширине ванны и, кос¬
венно, о глубине проплавленияНаиболее эффективны сканирующие
системы с дискретным измерением темпе¬
ратуры вдоль некоторой линии (см схему
на рис 9 43) Длина световода достигает
5 м, причем сканирование осуществляют
путем разделения оптоволоконного пучка
на отдельные волокна, каждое из которых
визирует определенную точку на линии
сканирования В устройстве, описанном в
[162], использовали 8 фотоприемников
PbS (спектральный диапазон 2 2,5 мкм,
уровень измеряемых температур около
+500 °С), что обеспечивало скорость ска¬
нирования до 50 строк в секунду при про¬
странственном разрешении 1 мм Наи¬
лучшая отстройка от помех имеет место,
когда пирометрический датчик, будучи
размещенным в одном корпусе со свароч¬
ной головкой, визирует поверхность по
нормали, а не под углом, как это изобра¬
жено на рис 9 43Данное устройство позволило про¬
анализировать влияние скорости газовой
сварки, тока дуги и расхода газа на вид
темперагурных распределений и качество
сварного шва9.11.2. Точечная сварка. Точечную
сварку тонких металлических листов, вы¬
полняемую пропусканием импульсов
электрического тока между двумя элек¬
тродами, применяют в автомобилестрое¬
нии Автомобиль может содержать от 3 до
5 тысяч сварных точек, НК которых явля¬
ется серьезной проблемой для производи¬
телей Применение УЗ и вихретокового
метода остается маргинальным вследствие
низкой производительности испытаний
Оценку качества точечных сварных швов
осуществляют путем разрушающих испы¬
таний, что обходится, например, компании
Ford Motors в более чем 100 млн долларов
в год, причем время испытаний одного
автомобиля составляет 7 10 днейКачество точечных швов определяет¬
ся диаметром и структурой литой зоны.
Естественно ожидать, что эти параметры
могут оказывать заметное влияние на ха¬
рактер теплопередачи через шов Первые
работы в области ТК выполнены в СССР
Н А Бекешко и Ю А Поповым еще в 70-е
годы прошлого века [163, 164] Для нагре¬
ва швов в одно- и двусторонней процедуре
ТК использовали плазмотрон, а критерием
дефектности служил характер динамиче¬
ского измерения температуры в зоне шва,
которую измеряли ИК-радиометром [163].В более поздней работе тех же авто¬
ров для нагрева было предложено оцени¬
вать качество швов в двусторонней проце¬
дуре ТК по наблюдаемому диаметру коль¬
цевой изотермы, который увеличивался во
времени, будучи линейно связанным с
диаметром литой зоны [164] Эксперимен¬
ты выполнены на стали 10Г2С толщиной
5 + 5 мм, нагрев производили лампой
К-220-500 Теоретический анализ процес¬
са охлаждения точечного шва с внутрен¬
ним дефектом выполнен В П Вавиловым
с сотрудниками [165]Несмотря на чрезмерное упрощение
геометрии контроля, что не позволило
применить принятую модель на практике,
значение работы [165] состояло в том, что
в ней впервые получено аналитическое
выражение для динамического темпера¬
турного перепада в зоне дефектов А7Т(т,т</)
в зависимости от радиуса дефекта rdВ последующем тепловой метод оп¬
ределения диаметра литой зоны сварных
точек не получил развития вследствие
низкого метрологического уровня то¬
гдашних тепловизионных систем, не по¬
зволявших надежно измерять положение
изотерм при повторяющихся испытаниях.
Исследования в данном направлении во¬
зобновлены в последние годы с использо¬
ванием импульсного ТК, схема которого
показана на рис 9 44, а [166] Для нагрева
применили стандартные импульсные лам¬
пы и высокоскоростные тепловизионные
системы При фокусировании излучения
СВАРНЫЕ И ПАЯНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ341оо)б)Рис. 9.44. Схема импульсною ТК точечных сварных швов (а) и термограммы
бездефектною (слева) и дефеотною (справа) швов (6)лампы с энергией 6 кДж в импульсе дли¬
тельностью 5 мс в зоне диаметром 2,5 см
удалось получить существенное различие
между качественными и дефектными
сварными точками (дефектные швы были
изготовлены в результате изменения па¬
раметров сварки двух листов низкоугле¬
родистой стали общей толщиной 0,8 мм)
Различие в сигнатурах сварных швов
наблюдалось только в интервале времен
от 15 до 65 мс после нагрева, причем де¬
фектные швы обнаруживали ярко выра¬
женную зону пониженной температуры
(см рис 9 44, б)3 мс
2 кДж9.11.3. Диффузионная сварка заго¬
товок силовых выпрямительных эле¬
ментов. В работе [167] описан ТК
(рис 9 45, а) заготовок мощных выпрями¬
тельных элементов (ВЭ) Схема ВЭ пока¬
зана на рис 9 45, б ВЭ включали полиро¬
ванный кремний (диаметр 40 мм, толщина
390 мкм), приваренный методом диффу¬
зионной сварки к вольфрамовому термо¬
компенсатору В-ПМ (диаметр 40 мм, тол¬
щина 2,2 мм) через алюминиевую фольгу
А99 толщиной 100 мкм Диффузионная
сварка выполнена на установке УДС-3 в
следующем режиме температураInSbт>->о)2,8 мм1А1 (напыление) \ А1 0,1 мм
(диффузионная
сварка)Si 0,39 ммW 2,2 мм\Дефектыб;Рис. 9.45. Активный ТК качества диффузионной сварки силовых ВЭ:а - схема двустороннего импульсного ТК, б - схема ВЭ
342ГЛАВА 9 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХа) б)Рис. 9.46. Результаты тепловизиоиною контроля качества
диффузионной сварки 3ai отовок силовых выпрямительных элементов
без внешней металлизации:а - искусственные дефекты (получено методом шлифа после разрушения изделия),
б - термограмма дефектов (тепловиюр ТВ-03)+540 °С, давление 15 МПа, время выдерж¬
ки 300 с, вакуум 66,5 МПаИскусственные дефекты вносили в
алюминиевую фольгу методом вдавлива¬
ния, а также травления в слабом растворе
соляной кислоты на глубину 15 20 мкм
(см рис 9 45, б)В реальных изделиях дефекты могут
располагаться как между кремнием и
алюминием, так и между алюминием и
вольфрамом (рис 9 45, б) На заключи¬
тельной стадии технологического процес¬
са на поверхность кремния наносят элек¬
трод из напыленного алюминия Установ¬
лено, что при отсутствии металлизациикремниевого слоя внутренние дефекты
предварительно нагретого изделия видны
с помощью тепловизора при визировании
непосредственно через кремний, прозрач¬
ный для ИК излучения (при этом имеют
место не температурные, а чисто оптиче¬
ские эффекты) Схема искусственных де¬
фектов и соответствующая термограмма
изделия показаны на рис 9 46После металлизации кремния (напы¬
ления алюминия) дефекты могут быть
обнаружены при использовании импульс¬
ного двустороннего ТК Критерием де¬
фектности служил характер изменения
температуры во времени (метод определе-Рис. 9.47. Результаты импульсного ТК качества диффузионной сварки
загоювок силовых ВЭ с внешней металлизацией:а - бездефектное изделие, б - изделие с дефектом размером 20 х 20 мм
СВАРНЫЕ И ПАЯНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ3439.9. Результаты ТК качества ВЭ по критерию Хщ (метод Паркера)Группа качества ВЭТемпературопроводность, 10-6 м2/сКондиционные ВЭ (температура сварки
+540 °С)59,5Диффузионная сварка при пониженной
температуре (+450 °С)60,5Дефект размером 5 х 5 мм61,6Дефект размером 10 х 10 мм61,7Дефект размером 15 х 15 мм62,0Дефект размером 20 х 20 мм62,6Объект контроляНагрева! ельСканерФотопленкавФоторегистратор■ ГГ I..Электронный блока)* *'> /Ндг,Рис. 9.48. Фоторегистрирующий ИК дефектоскоп
для ТК паяных изделий (Томский НИИ интроскопии)
а - схема контроля, б - внешний вид, в - пример записи температурных профилейна рулонную фотопленку
344ГЛАВА 9 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХния температуропроводности Паркера)
Примеры температурных откликов безде¬
фектного и дефектного ВЭ приведены на
рис 9 47 (следует заметить, что наличие
дефектов, внесенных описанным выше
способом, приводило к увеличению инте¬
гральной температуропроводности) Ус¬
редненные значения интегральной темпе¬
ратуропроводности для ВЭ различных
классов качества приведены в табл 9 9Статистическая оценка результатов
ТК показала, что данным методом можно
обнаруживагь дефекты, занимающие бо¬
лее 5 % площади ВЭ9.11.4. Активный ТК паяных со¬
единений. В 1986 г в Томском НИИ ин¬
троскопии разработан фоторегистрирую¬
щий ИК дефектоскоп ФИД-1, являвшийся
дальнейшим развитием серии строчно-
сканирующих дефектоскопов типа ТД-
21 А, созданных В А Стороженко в Харь¬
ковском Институте Радиоэлектроники
[168,169]Прибор ФИД-1 предназначен для ак¬
тивного ТК двухслойных металлических
(изделие сталь-бронза) цилиндрических
изделий, изготовленных способом пайки
(см схему контроля на рис 9 48, а) Изде¬
лие нагревали с помощью линейного ис¬
точника, выполненного из нихрома сече¬
нием 8x2 мм, скорость сканирования
составляла 10 строк в секунду Результаты
контроля записывали в виде набора тем¬
пературных профилей на рулонную фото¬
пленку, которая перемещалась перед элек¬
тронно-лучевой трубкой синхронно со ска¬
нированием (рис 9 48, б, в)В силу аналогового характера записи
результатов на фотопленку, прибор ФИД-1
представляет собой скорее исторический
интерес, будучи свидетельством уровня
отечественных разработок в области ак¬
тивного ТК в 80-х годах прошлого века9.12. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СРОКА
СЛУЖБЫ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
ОПРЕДЕЛЕНИЕМ ЕГО
ИНТЕГРАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРО¬
ПРОВОДНОСТИВ машиностроении внедрение гибких
автоматизированных производств поста¬
вило задачу прогнозирования срока служ¬
бы твердосплавного режущего инструмен¬
та, широко используемого роботизиро¬
ванными установками для обработки ме¬
талла Качество инструмента может быть
надежно оценено по износу режущей
кромки при механических испытаниях,
т е разрушающим способомСтандартные методы НК (вихретоко¬
вые, УЗ и др) характеризуются коэффи¬
циентом корреляции между используемым
информативным параметром и износо¬
стойкостью инструмента менее чем 0,2,
что неприемлемо для практики В Том¬
ском НИИ интроскопии предложено ис¬
пользовать в качестве информативного
параметра интегральный коэффициент
температуропроводности, который опре¬
деляют индивидуально для каждого инст¬
румента по методу ПаркераЭкспериментальная установка изо¬
бражена на рис 9 49 Режущий инстру¬
мент устанавливают в кассету и нагревают
импульсом оптического излучения дли¬
тельностью 1 мс (лазер на длине волны1,06 мкм, энергия в импульсе 7,5 Дж) По
температурному отклику на противопо¬
ложной поверхности образца (рис 9 50, а)
определяют интегральный коэффициент
температуропроводности данного типа
режущего инструмента При калибровоч¬
ных испытаниях износостойкость (срок
службы) инструмента оценивали по изно¬
су режущей кромки при механических
испытаниях Коэффициент корреляции
между температуропроводностью и изно¬
сом режущей кромки составлял от 0,65 до
0,8Пример корреляционного поля и со¬
ответствующая регрессионная кривая по¬
казаны на рис 9 50, б
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА345ИК радиометрРежущийинструментHe-NeлазерРис. 9.49. Определение ивдегральной температуропроводности режущего
инструмента по методу ПаркераИспытания партий режущего инст¬
румента, изготовленного различными
производителями, показали, что даже в
пределах одной партии может наблюдать¬
ся существенный разброс значений темпе¬
ратуропроводности и, соответственно,срока службы Оценку качества отдельно¬
го инструмента осуществляют в течение
нескольких минут с учетом того, что для
усреднения данных рекомендуется выпол¬
нить 3 5 измерений для различных по¬
ложений образца в кассетеСрок службыа)Рис. 9.50. Оценка срока службы режущего инструмента по температуропроводности:а - регистрируемый температурный сигнал, б - функция регрессии
346ГЛАВА 9. ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХ9.13. ОБНАРУЖЕНИЕ КОРРОЗИИ В
МАССИВНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ОБЪЕКТАХЦивилизация создала и разместила на
Земле огромное количество толстостен¬
ных металлических объектов: нефтяных
цистерн и баков, трубопроводов, котлов и
т.п. По некоторым данным, потери за счет
коррозии и износа составляют в развитых
странах до 3 % объема национального
продукта. Своевременное обнаружение
коррозии в ответственных частях техниче¬
ских сооружений является важнейшей
задачей технической диагностики, и рег¬
ламент эксплуатации соответствующих
сооружений включает методы НК, прежде
всего УЗ и радиационные. Относительно
недавно начаты исследования в области
ТК. Физические принципы применения
теплового метода для обнаружения корро¬
зии в толстостенных металлических объ¬
ектах - те же, что и в случае контроля
алюминиевых самолетных панелей, тем не
менее имеется ряд особенностей.• В стальных изделиях температур¬
ные сигналы в зонах уноса материала су¬
ществуют в течение значительно более
длительных времен, нежели в тонких
алюминиевых листах (вплоть до десятков
секунд), однако с ростом толщины метал¬
ла усиливается диффузия тепла, а также
возникает проблема оптимального прогре¬
ва изделия по всей глубине, что требует
значительной мощности нагрева.• В качестве компромисса между
всеми факторами, участвующими в обра¬
зовании температурных сигналов, можно
считать, что ТК оптимален для обнаруже¬
ния коррозии в стали толщиной 1 ... 3 мм.• Испытания изделий большей тол¬
щины возможны, если металлический
объект имеет равномерный высокий ко¬
эффициент излучения, малую кривизну
поверхности и разрешает свободный дос¬
туп к зоне контроля. При этом чаще всего
оптимальными для нагрева являются гало¬
генные лампы.В NASA (США) разработана система
ТК коррозии в котлах тепловых электро¬станций (ТЭС), реализующая принцип
линейного сканирования [170]. Площадь
поверхности котлов, подлежащая контро¬
лю, может достигать 9000 м2, поэтому,
стандартные методы НК, такие как УЗ и
вихретоковый, малопригодны. Система
ТК включает полосовой нагреватель
(3 кВт лампа длиной 40 см с рефлектором)
и тепловизор (температурное разрешение
0,025 °С), перемещающиеся вертикально
вдоль котла со скоростью до 5 см/с. При
ширине полосы нагрева 1,3 см избыточная
температура нагрева не превышает 10 °С
Тепловизор непрерывно записывает в па:
мять текущие термограммы, но оконча¬
тельное изображение формируют с помо¬
щью компьютера отбором тех строк ска¬
нирования, которые соответствуют onpej
деленному времени задержки (~0,5 ... 1 с).В качестве прототипа авторы ссыла¬
ются на метод, описанный К. Малда-
гом в 1993 г., однако справедливости ради
следует заметить, что в СССР устройства
ТК с полосовым нагревом разработаны
В.А. Стороженко и Д.А. Рапопортом с
сотрудниками еще в 70-х годах прошлого
века [70, 169]. При НК стеклопластиковых
композитов эффективность этих устройств
была весьма высокой.В системе NASA идентификацию
уноса материала на задней поверхности
металлической стенки производят, ис;
пользуя упрощенное решение задачи на*-
грева адиабатической пластины толщиной
L движущимся со скоростью V линейным
источником с удельной мощностью q,
Вт/м:T{x,z) =LVCp-V(*+М)2 а(nnz )е
+ 2V > cos -Ух+\ х\ т](2ппа / L)2+V2-2f£<2 а«=1 V L ) V(2nnalLf+V2(9.14)
ОБНАРУЖЕНИЕ КОРРОЗИИ В МАССИВНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ347Формула (9.14) справедлива для так
называемой "дальней'зоны", причем нача¬
ло координат совпадает с движущейся
линией нагрева [170]. При отрицательных
значениях поверхностной координаты х
(исследуемая точка находится за линией
нагрева) вклад бесконечного ряда, при
некоторых условиях, может быть незначи¬
тельным. Для малых скоростей движения
источника (V < 2a/L) это условие выпол¬
няется, если2а L /п 1 с\х< ======«—. (9.15)V-Wna/bf + V2 71При больших скоростях (V > 2а!L)
вклад бесконечного ряда становится ма¬
лым для расстояний за линией нагрева,
больших, чем толщина пластины. В этом
случае температура поверхности прибли¬
зительно равнат.е. обратно пропорциональна толщине
пластины. Последнее соотношение позво¬
ляет оценить величину уноса материала.Лабораторные испытания на выре¬
занных секциях котла ТЭС показали, что
при зачистке поверхности песком или во¬
дой и последующем покрытии ее водо¬
смываемой эмульсией черного цвета опи¬
санная выше установка способна обнару¬
жить коррозию задней стенки на уровне
18 % уноса металла. Совпадение результа¬
тов теплового и УЗ-метода было удовле¬
творительным; расхождения объяснялись
наличием выгнутых труб, нагрев которых
отличался от нагрева основной массы
труб. Равномерность нагрева улучшена
путем создания специальной системы ска¬
нирования длиной 7,3 м, шириной 1,4 м и
массой 230 кг. Система монтируется непо¬
средственно внутри котла, имеющего
входной люк размером 0,5 х 0,5 м.На рис. 9.51, а на цветной вкладке
приведена термограмма секции котла
ТЭС, полученная путем нагрева с помо¬
щью двух импульсных ламп (совместнаяработа Томского НИИ интроскопии и Ин¬
ститута Холодильной Техники, Италия).
На термограмме отчетливо видна зона
уноса 36 % материала на внутренней по¬
верхности трубки; следует заметить, что
поверхность секции не подвергалась ка¬
кой-либо механической обработке, но
изображение рис. 9.51, а получено после
компьютерной обработки последователь¬
ности.Пример результатов ТК толстостен¬
ного стального изделия приведен на
рис. 9.51, б. При слабом длительном на¬
греве зона 30 %-го уноса материала не
выявляется даже в оптимальный момент
регистрации (термограмма слева), в то
время как томографическая обработка
данных отчетливо обнаруживает зону де¬
фекта круглой формы (томограмма спра¬
ва).К. Малдаг описал успешные лабора¬
торные эксперименты по обнаружению
коррозии в коленах стальных труб [171].
Через трубу пропускали попеременно то
горячую, то холодную воду; термограммы
снимали в переходной период с наилуч¬
шей видимостью дефекта в интервале
времени от 1 до 3,5 с. Судя по косвенным
данным, унос материала в трубе толщиной5 мм достигал 80 %. Преимуществом та¬
кого способа ТК является отсутствие ра¬
диационных помех тепловизору со сторо¬
ны нагревателя.Аналогичные дефекты удалось обна¬
ружить при одностороннем ТК, нагревая
трубу феном, однако сигналы в дефектных
зонах были существенно ниже, чем в дву¬
сторонней процедуре.9.14. АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЕИК термографию успешно применя¬
ли при диагностике гоночных автомоби¬
лей, хотя данный метод может найти при¬
менение и при испытаниях автомобилей
других типов. Например, пониженная
температура тормозов может быть вызва¬
на их неэффективной работой. ИК термо¬
графия двигателя и системы выхлопа по¬
348ГЛАВА 9. ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХзволяет быстро измерить температуру
критических деталей (во всех вышеука¬
занных случаях используют метод сравне¬
ния с эталоном).Аналогичным образом выявляют пе¬
регретые, т.е. плохо смазанные, подшип¬
ники. Термограммы шин после испыта¬
тельной поездки выявляют зоны плохого
контакта отдельных участков шин с до¬
рожным покрытием. ИК-термографию
применяли для оценки эффективности
систем обогрева стекол, контроля за гер¬
метичностью салона автомобиля, а также
при разработке оптимального дизайна ра¬
диаторов.Лабораторные исследования, прове¬
денные на дизельном двигателе, показали
применимость теплового метода для оцен¬
ки степени сжатия смеси и протечек из
цилиндра [172].Тепловые методы эффективны при
разработке систем охлаждения радиаторов
автомобилей, анализе трещинообразова-
ния в колесах, ветровых стеклах и фарах.Тепловой контроль точечной сварки
в автомобилестроении был описан в
п. 9.11.9.15. ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЕ
ПРОИЗВОДСТВОПроизводство бумаги исторически
явилось одним из первых удачных приме¬
нений пассивного ТК в поточном произ¬
водстве. Например, в 1995 г., при опросе
специалистов США об использовании ИК
термографии в промышленности, наи¬
большее число респондентов, давших по¬
ложительный ответ, работала в сфере про¬
изводства бумаги. При движении нагрето¬
го бумажного листа участки с различной
степенью увлажненности хорошо видны
вследствие испарения воды.Влажность бумажного листа и ее
распределение по его ширине является
критическим фактором качества. Тепло¬
вой метод широко применяют в целлю¬
лозно-бумажном производстве Скандина¬
вии, Канады, Англии и США.9.16. СУДОСТРОЕНИЕ
(КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)Корпуса крупных речных и морских
судов изготавливают из стали способом
сварки, поэтому их НК проводят визуаль¬
но-измерительным, радиационным, У35
вихретоковым и т.п. методами. В то же
время в производстве корпусов современ¬
ных прогулочных и гоночных яхт широко
применяют композиционные материалы, в
частности стеклопластик. В этом случае,
подобно испытаниям корпусов ракет, теп¬
ловой метод является эффективным сред¬
ством НК.Т. Джонсом и Э. Линдгреном описа¬
ны результаты ТК элементов минного
тральщика МНС-51, изготовленных из
стеклопластикового композита [173]. По¬
ложительные результаты были получены
при испытаниях корпусного каркаса, дета¬
лей кормовой палубы, киля и переборок.9.17. ПИЩЕВАЯ
ПРОМЫШЛЕННОСТЬС ростом номенклатуры пищевых
продуктов предприятия пищевой про¬
мышленности и магазины увеличивают
потребление электрической энергии. Од¬
новременно возрастает сложность техни¬
ческих систем, которые следует поддер¬
живать в 24-часовом рабочем состоянии.
Замороженные продукты хранят при тем¬
пературе -18 °С или ниже, и даже кратко¬
временное повышение температуры спо¬
собно ухудшить их качество.Применение тепловидения позволяет
своевременно идентифицировать дефект¬
ные компоненты электроагрегатов, рабо¬
тающих в круглосуточном режиме.Наиболее эффективно применение
тепловидения при оценке теплопотерь и
дефектных зон производственных корпу¬
сов, диагностике электромоторов, под¬
шипников, насосов, холодильников, ком¬
прессоров и т.п. Например, своевременная
замена дефектных выпускных клапанов
воздушных кондиционеров экономит ты¬
сячи долларов.
УТЕЧКИ ГАЗО- И НЕФТЕПРОДУКТОВ ИЗ ТРУБОПРОВОДОВ И РЕЗЕРВУАРОВ 349Еще больший эффект приносит заме¬
на тотального ремонта холодильных кор¬
пусов точечным. На рис. 9.52 приведена
термограмма стены холодильного корпуса
одного из российских мясокомбинатов,
снятая с целью определить объем необхо¬
димого ремонта. (См. цветную вкладку.)Очевидно, что в условиях экономии
средств на капитальный ремонт целесооб¬
разно выполнить первоочередной ремонт
в тех участках, где нарушена теплоизоля¬
ция стены (на рис. 9.52 дефектные участки
обозначены овалами).9.18. УТЕЧКИ ГАЗО- И
НЕФТЕПРОДУКТОВ ИЗ
ТРУБОПРОВОДОВ И РЕЗЕРВУАРОВОбнаружение утечек нефти и газа из
промышленных установок и подземных
трубопроводов, а также естественных ис¬
точников, является серьезной проблемой
технической диагностики, которую реша¬
ют, используя разнообразные методы и
приборы. К настоящему времени наиболее
надежные результаты в области ТК полу¬
чены на газопроводах. Проблему обнару¬
жения утечек газа широко обсуждают на
международном уровне, опираясь прежде
всего на опыт США, Швеции, Японии и
России.В 1997 г. образована международная
рабочая группа, выпустившая в 2000 г.
отчет ’’Состояние методов и средств дис¬
танционного обнаружения естественного
газа” (State of the Art of Technologies for
Remote Detection of Natural Gas, Report
SOC 110, ISSN 1102-7371, June 2000).В течение 2000 - 2003 гг. Европей¬
ским сообществом финансируется соот¬
ветствующий проект VOGUE (Visualiza¬
tion of Gas for Utilities and Environment).Обычный тепловизор в состоянии ви¬
зуализировать утечки из продуктопрово-
дов, если они приводят к регистрируемо¬
му изменению температурного поля. Воз¬
можно несколько механизмов обнаруже¬
ния утечек и соответственно режимов ра¬
боты ИК-аппаратуры. В пассивном режи¬ме утечки из магистральных подземных
трубопроводов, где газ находится под вы¬
соким давлением, могут приводить к за¬
метному понижению температуры вслед¬
ствие дроссельного эффекта. Сообщалось,
что такие утечки уверенно обнаруживали,
например, на фоне снега, создающего рав¬
номерный температурный фон (см. обоб¬
щение российского опыта бортовых теп-
ловизионных съемок в книге P.M. Алеева
с соавторами [174]).При невысоком давлении газа темпе¬
ратурные эффекты в месте утечки невели¬
ки в силу низкой теплоемкости и малой
массы газов, но возможно обнаружение
утечек в узких полосах поглоще¬
ния/излучения газов; например, метан об¬
ладает сильным поглощением на длине
волны 3,39 мкм. На холодном фоне теп¬
лый газ может быть виден вследствие по¬
вышенной эмиссии на длине волны по¬
глощения/излучения. Напротив, на теплом
фоне облако газа может наблюдаться в
виде холодной зоны вследствие поглоще¬
ния.Предварительные результаты по пас¬
сивному тепловизионному обнаружению
облаков газа из трубопроводов с невысо¬
ким давлением были сообщены С. Люнг-
бергом в рамках выполнения проекта
VOGUE [175]. Установлено, что эффек¬
тивность выявления утечек зависит от по¬
годных условий, диаметра дефектов, глу¬
бины залегания трубопровода и типа поч¬
вы.Например, утечки объемом 1 ... 20
л/мин из отверстия диаметром 1 мм выяв¬
лялись с трудом, тогда как утечки объе¬
мом 1 ... 5 л/мин через отверстие диамет¬
ром 3 ... 5 мм уверенно обнаруживались
тепловизионным методом. Размер дефекта
и скорость ветра влияют на формирование
облака газа.Наилучшие условия обнаружения
имеют место, когда газ стелется над зем¬
лей на высоте нескольких дециметров.
При этом возникают температурные пере¬
пады до 2 °С. При скорости ветра > 3 м/с
облако газа поднимается на высоту до не¬
350ГЛАВА 9 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХскольких метров, смешивается с воздухом,
и его обнаружение оператором по тепло-
визионному сигналу невозможноВ активном режиме осуществляют
облучение земной поверхности лучом ла¬
зера, работающего на длине волны погло¬
щения/излучения газа (на практике часто
используют отношение сигналов в полосе
поглощения и вне ее для устранения влия¬
ния излучательной способности) Эффек¬
тивность работы лазерных локаторов за¬
висит от расстояния до объекта контроля и
коэффициента отражения подстилающей
поверхностиВ России разрабатывают комбиниро¬
ванные системы обнаружения утечек,
включающие как пассивный (тепловизи-
онный), так и активный (лазерный) канал
С методологической точки зрения,
обнаружение утечек продукта из трубо¬
проводов, в особенности заглубленных,
является сложной научно-технической
задачей В книге [174] условия тепловизи-
онных обследований продуктопроводов
предложено подразделять на три катего¬
рии1) связанные с продуктопроводом
(географические, агрофизические, конст¬
руктивные),2) временные и метеорологические,3) летныеДля северных участков трасс продук¬
топроводов типично заглубление на 0,51 м, причем трассы зачастую проходят по
водоемам различной протяженности Наи¬
более эффективно тепловизионное обсле¬
дование в ночное время, когда поверхно¬
стные тепловые помехи минимальны, од¬
нако по соображениям безопасности поле¬
тов большинство обследований проводят
днем, когда возникают значительные теп¬
ловые помехи, вызванные солнечным на¬
гревом открытых участков почвы и зате¬
няющим действие растительности Поэто¬
му рекомендуется проводить обследова¬
ния при сплошной облачностиПоскольку реальные утечки нефти и
газа происходят, как правило, внезапно и
подлежат немедленному устранению, приотработке технологии обследований трасс
продуктопроводов большую роль играет
моделирование аварийных ситуаций.Например, открытую утечку продук¬
та создавали посредством его выброса в
атмосферу через отборный вентиль на уз¬
ле секционирования медной трубкой с
внутренним диаметром до 6 мм [174].
Длина трубки (30 80 м) определялась
расстоянием до площадки, на которой
создавали аварийную ситуацию Откры¬
тый конец трубки укладывали в грунт так,
чтобы продукт выбрасывался в атмосферу
под углом 20 30° к горизонту Интен¬
сивность выбросов была такова, что ви¬
димое облачко продукта (газа) было не
более 0,5 м Закрытые утечки моделирова¬
ли выбросом продукта в грунт, снег и в
водуЭкспериментальные результаты оте¬
чественных исследований по тепловизи-
онной диагностике целостности продук¬
топроводов в различное время года приве¬
дены в [174]9.19. ИК АЭРОСЪЕМКААэрофотосъемка, в том числе в
ближнем ИК диапазоне, применялась поч¬
ти в течение всего прошлого столетия, в
то время как регистрация излучения Земли
в среднем ИК диапазоне стала возможной
после создания специализированных бор¬
товых тепловизоров, а также с началом
широкого использования портативных
тепловизоров на борту самолетов и верто¬
летовВ целом ИК изображения Земли ме¬
нее информативны, чем изображения ви¬
димого и ближнего ИК диапазона Основ¬
ными преимуществами ИК съемки являет¬
ся способность работы в ночное время,
что важно для военных применений, а
также возможность обнаруживать тепло¬
вые источники, которые не видны на
обычных снимках Такими источниками
являются энергетические установки и
трубопроводы, созданные человеком, вул¬
каны и геотермальные источники, лесные
ИК АЭРОСЪЕМКА3519.10. Цены на спутниковые изображения [176]Спутник/датчикЧислокана¬ловСтоимостьснимка,долларовСШАШирина
полосы
съемки, кмПространствразрешение,мСтоимость
съемки площади
100 км2, долларов
СШАMeteosat/MVIRI (ESA)3113Полуша¬рие2500БесплатноNOAA/AVHRR (США)511524001000Ресурс-О/МСУ(Россия)413006001500 361RS (Индия)300130362MOS (Япония)316100503Landsat/MCC (США)1233185804Ресурс-О/МСУ-Э(Россия)3200453510Landsat/TM (США)751801853016SPOT/HRV-XS(Франция)32487602069SPOT/HRV-P(Франция)]31337601087и торфяные пожары, животные и люди и
т пВ некоторых случаях удается иден¬
тифицировать скрытые объекты и дефек¬
ты в них (трубопроводы, археологические
объек1ы, подводные лодки в океане и т д)
Используя принцип тепловой инерции
(путем сравнения результатов дневной и
ночной сьемки), можно оценить влажность
и/или плотность верхних слоев почвыПри аэросъемке сельскохозяйствен¬
ных культур оценивают степень созрева¬
ния урожая, по температуре деревьев
можно судить об их здоровье Путем
съемки водной поверхности исследуют
тайфуны, течения и обнаруживают источни¬
ки ’’теплового загрязнения” водной средыИК аэросъемка с борта самолета и
вертолета обнаруживает очаги лесных и
подземных пожаров, зоны самовозгорания
в угольных шахтах, запорошенные снегом
трещины в ледниках и г п Тепловой ме¬тод надежнее обычного воздушного пат¬
рулирования, поскольку ИК излучение
лучше, чем видимое, проходит через дым,
туман и листву, в ночное время ИК аэро¬
съемку применяют для поиска пропавших
людей, определения поголовья диких жи¬
вотных и т пДля съемки природных ресурсов и
для военных целей созданы космические
системы (в США ERTS, SkyLab, НСММ,
Spot, Irs, ADEOS, Landsat, в СССР и Рос¬
сии "Метеор-Погода", "Космос", "Ре¬
сурс", орбитальные космические станции),
которые просматривают земную поверх¬
ность с интервалом 1 2 недели в относи¬
тельно узкой полосе с пространственным
разрешением до 10 мКосмические системы снабжены
многоканальной аппаратурой для аэро¬
съемки, перекрывающей диапазон элек¬
тромагнитного излучения от видимого до
средневолнового ИК (обычно имеется
352ГЛАВА 9 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХодин канал, работающий в диапазоне длин
волн 10 12 мкм)Установлена существенная корреля¬
ция между видимым и ИК каналом, одна¬
ко в практических целях термоизображе¬
ния, полученные со спутников, использу¬
ются слабо, за исключением метеороло¬
ги, где термограммы земной поверхности
являются важным источником информа¬
ции о тепловых процессах в атмосфере
Российские спутники серии "Ресурс",
разработанные ВНИИ электромеханики,
имели массу 1900 кг, из них 500 кг прихо¬
дилось на полезную нагрузку Простран¬
ственное разрешение сканирующего уст¬
ройства МСУ-Э, работавшею в диапазоне
от 0,5 до 0,9 мкм, составляло 45 м поперек
и 32 м вдоль полета при ширине полосы
сканирования 45 км ИК сканирующее
устройство МСУ-СК работало в каналах
длин волн 0,5 0,6, 0,6 0,7, 0,7 0,8,
0,8 1,1, 10,4 12,6 мкм при пространст¬
венном разрешении от 140 до 550 мИскусственный спутник Земли Land-
sat-7 массой 2,2 тонны, запущенный в
1998 г, имеет твердотельный накопитель
информации емкостью 380 Гбит, что по¬
зволяет хранить до 100 снимков размером
185 х 185 км (часть витка) Оптическое
излучение Земли регистрируют в 8 диапа¬
зонах от 0,45 до 12,5 мкм с просфанст-
венным разрешением 15 30 м в ближнем
ИК диапазоне и 60 м в тепловом ИК диа¬
пазонеВ табл 9 11 приведены цены на
спутниковые изображения9.20. ОБНАРУЖЕНИЕ
ПРОТИВОПЕХОТНЫХ И
ПРОТИВОТАНКОВЫХ МИНСогласно оценкам ООН, в более чем
80 странах мира установлено свыше
100 млн противопехотных мин (по дру¬
гим оценкам от 200 до 300 млн) Более
тою, интенсивность установки новых мин
составляет приблизительно 1 млн единиц
в год, что в 20 раз превышает интенсив¬
ность разминирования Жертвами минстановятся 26 тысяч человек ежегодно
или 1 человек каждые 20 минутНаибольшей опасности подвержены
такие страны, как Афганистан, Камбоджа,
Кувейт, Ирак, регион Чечни и др Пробле¬
ма обнаружения противопехотных мин
имеет ярко выраженное гуманистическое
значение Эту проблему решают как воен¬
ные, так и общественно-политические ор¬
ганизации (ООН, ЮНЕСКО и тп). По
данной тематике выполняются работы
научно-технического и практического ха¬
рактера в рамках международных проек¬
тов и прямых контрактовВ США введены в действие ряд про¬
грамм по данной или родственной темати¬
ке (исследовательская корпорация Коул¬
мана, Центр Изучения Окружающей Сре¬
ды Армии США и др) В течение не¬
скольких последних лет в рамках ежегод¬
ного симпозиума AeroSense проводится
специализированная конференция под
названием "Технология обнаружения мин
и миноподобных целей" (Detection Tech¬
nologies for Mines and Minelike Targets). В
1996 г Ассоциация Минного Вооружения
США (Mine Warfare Association) органи¬
зовала Симпозиум по Технологии и Про¬
блемам Минною Вооружения В 1997 г
по данной тематике проведена междуна¬
родная конференция в ЯпонииРазработано большое число техниче¬
ских средств для обнаружения поверхно¬
стных и заглубленных мин, однако в силу
разнообразия типов, геометрических форм
и размеров мин (до 700 типов), а также
способов их установки, наиболее надеж¬
ные результаты получают путем комбини¬
рования аппаратуры, использующей раз¬
личные физические принципы На практи¬
ке продолжают широко использовать ви¬
зуальный контроль, собак-ищеек и стан¬
дартные металлоискатели Однако совре¬
менные безоболочечные мины могут со¬
держать металлические детали весьма ма¬
лой массы, что делает металлоискатели
бесполезными С другой стороны, на поле
а)О 20 40 60 80 100 120
Номер пикселяб)dT/cLx, у ев) г)Рис. 4.4. Определение поперечного размера искусственного дефекта в иконе на деревеа)Рис. 5.4. Фурье-анализ импульсного нагрева пластины из углепластика толщиной 2 мм
Ш -К'б)Рис. 5.6. Фазограмма (а) и фазовые тепловые томограммы (б-г) ударного повреждения
в углепластикеРебражесткостиУтонениематериалаб)РасслоениекомпозитаПиксельное значение
2 ммв)1,3 ммПиксельное значение
О ммг)Рис. 5.8. Тепловая дефектометрня углепластиковой панели толщиной 2 мм:а - внешний вид изделия, б - оптимальная термограмма, в - глубинограмма,
г - толщинограмма
а) б) в)Рис. 5.11. Логарифмическая аппроксимация (ЛА) искусственной последовательности
(нагрев иконы на дереве толщиной 20 мм, содержащей 6 скрытых дефектов, в течение 5 с):а - исходная термограмма в оптимальный момент наблюдения, б - изображение А0
(попином 3-й степени), в - изображение Ах (полином 3-й степени)а) б) в)Рис. 5.12. Применение алгоритма КАА. Изображение коэффициентов
(полиномы 3-й степени):а-А0 ,6 -А2,в-А61 2 3Номер коэффициентаРис. 5.13. Зависимость отношения
сигнал/шум S от номера
коэффициента и степени полинома при
использовании алгоритма КАА для ТК
иконы на дереве, результаты дапы на
рис. 5.14 (трехмерное и контурное
представление)
а) б) в)Рис. 5.14. Тепловой контроль дефектов в иконе па дереве:а - исходная термограмма через 2,5 с после нагрева в течение 5 с (5=1,3 для дефекта
7), изображение б - коэффициента Л2 image (КАА, полином 3-й степени, 5=5,8 для
дефекта 7), в - критерия %2 (КАА, 5=9,9 для дефекта 1)Рис. 5.15. Изображение (а) коэффициента А3 image (JIA, полином 4-й степени, 5=0,8)
и б - максиграмма (5=4,4). См. табл. 5.3
г) д) е)Рис. 5.17. Тепловая томография при анализе искусственной последовательности (рис. 5.11),
имил рующей ТК иконы на дереве:а - томограмма с использованием алгоритма T6)f - T2)f (слой включает все дефекты),
б - то же, выделен верхний слой, в - то же, выделен нижний слой, г - "классическая"
томограмма (выбранный слой включает все дефекты, амплитудный порог отсутствует),
д - то же, выделен верхний слой, е - то же, и что г) (выделен нижний слой,
амплитудная отсечка на уровне 2%)Исходная последовательностьт=т,т=тНормализованная последовательность1 О; .с =1$ f- * у L.Рис. 5.19. Нормализация
результатов ТК
углепластикового
композитат=т,т=тРис. 5.29. Увеличение цифрового
изображения показывает его
пиксельную структуруI V S’ i)/r>■ф'Н
Рис. 5.30. Улучшение изображения изменением динамического диапазона и цветовой
палитры (медицинская диагностика и дефекты в углепластике)Рис. 5.32. Повышение резкости изображения дефектов с помощью ФРЧ
(искусственное изображение)
Рис. 5.33. Морфологическая фильтрация (эрозия)Рис. 5.34. Вычитание (а) и деление (б) изображений (фторопластовые вставки вуглепластике)
Litton Electro-Optical Systems Boeing256x256 InSb U3000 Неохлаждаемая болометрическая матрицаCMOS мультиплексор (возможен режим Формат 320 х 240snapshot)Размер пикселя 30x30 мкм
Спектральный диапазон 3,4-4,95 мкмЧастота смены изображений 60 Гц
Размер пикселя 51x51 мкм
Фактор заполнения 60%
Спектральный диапазон 8-14 мкмSanta Barbara Focalplane1280x1024 матричный детектор
Частота смены изображений 60 Гц
Режим snapshotBAE Systems640x512 квип-матрицаРабочая температура 70К (холодильникСтирлинга)Температурное разрешение 30 мК
Спектральный диапазон 8-10 мкмРис. 7.10. Зарубежные матричные фотонриемники
Тип детектора
Формат матрицы
Спектральный диапазон, мкм
Частота смены изображения, Гц
Температурное разрешение, мК
Рабочая температура, °С
Масса, г
ПитаниеПотребляемая мощность, Втболометр Boeing U3000
320 х 240
8-14
60
<80от -20 до +60
405AC/DC адаптер или аккумулятор12Рис.7.15. Неохлаждаемый ИК тепловизионный модуль SE-U20 (Boeing, США)
ж) з)Рис. 7.16. Модели типовых тепловизоров:а - DVE-1000 (Digital Imaging Infrared), 6 - PalmIR Pro (Raytheon), в - ThermaCAM 695
(FLIR Systems), г - Galileo (Amber Raytheon), d - ThermaCAM E2 (FLIR Systems),
e - ThermaCAM P60 (FLIR Systems), ж - TH-4604 МП1, з - ИРТИС 200
Спектральный диапазон, мкм 3,0-5,0Номинальное спектральное разрешение (0,01 мкм при 4 мкм) 0,25 % A Х/ХОптика (при 4 мкм) JJ2 5Поле зрения (при 4 мкм) 5,3x5,3Мгновенный угол зрения (при 4 мкм), мкрад 372Рис. 7.17. Визуализирующий спектрометр IMSS-M1а) 6) в)Рис. 8.5. Статистическая обработка данных в медицине (программа ThermoStat)ДефектышШШ Маркер■* *,/« ООПа. •Г• <■•» ог^L.Iа)в)Бездефектная зонаДефектная зонакI "Гб)Рис. 8.6. Результаты статистической обработки результатов ТК образца из углепластика
Рис. 9.3. Пример наложения ИК
термограммы на видимое изображение жи¬
лого домаРис. 9.4. Индивидуальный домЩif Sw«* И>«г*- ' -Рис. 9.7. Отслоение декоративной
штукатурки от основной стеныРис. 9.6. Дефектный вертикальный шов
(съемка внутри помещения)
Рис. 9.8. Фасад административного Рис. 9.9. Торец главного корпуса тепловойзд 1ия со сплошным остеклением станцииРис. 9.11. Тепловизионное обследование плоских крыш
Рис. 9.13. Результаты тепловизионпой съемки стыков ригелей и вертикальных колонн
развалин казармы ТВВКУС после катастрофы 17 июля 1997 г. [111]:а - съемка 25 июля 1997 г, амплитуда температурной аномалии 0,8 °С, средняя
температура колонны 13 °С, 6 - съемка 26 августа 1997 г , тепловой шум амплитудой
0,3 (,С, средняя температура колонны 12 °СРис. 9.16. ТК фрески Фоголино в г. Бергамо (Италия), исходные изображения
предоставлены Э. Грипцато
№3 0 8 мм З-гипс+клей
4-холст
№4. 15x5 мм 5-деревоРис. 9.17. Стандартный образец иконы на дереве [121]и) б) в)Рис. 9.18. Экспериментальные результаты ТК иконы на дереве (оптимизация но
дефектам "Стержень", "Пузырьки" и "Точка"):а - исходная термограмма через 2,5 с после окончания нагрева, 5=1,29 (идентично
рис 5 20, а), 6 - максиграмма после полиномиальной аппроксимации и нормализации,
5=3,51, в - дефектная карта, Рс ^=80%, Pfa =3%Рис. 9.19. Экспериментальные
результаты ТК иконы на дереве
(оптимизация по дефекту "Точка"):а - изображение коэффициента
Аъ (три члена полинома), 5=5,79,6 - дефектная карта, Рс d =100%,
Р,а= 3%
Рис. 9.20. Томографическое представление дефектов в иконе па дереве:а -слой 0,3 0,8 мм, 6- слой 0,81 0,91 мм, в - слой 1,43 1,47 ммРис. 9.21. Папорампые термограммы ДТ:а - металлическая труба высотой 40 м с внутренней футеровкой, достигающей
половины высоты (видно разрушение верхней части футеровки, градиент температу¬
ры до 6 °С), 6 - кирпичная труба высотой 60 м с многочисленными трещинами (гради¬
ент температуры до 7 °С), в - железобетонная труба с нарушениями теплоизоляции
(градиент температуры до 3 °С)
Рис. 9.22. Термограмма зои пониженной
теплозащиты (температурный градиент до
+4°С) и повышенной пористости бетона
(температурный градиент до -5 °С)
железобетонной ДТPi с. 9.24. Термограмма зоны примыкания
кирпичного газохода к железобетонной ДТ
(градиент температуры в зоне снижения
теплозащиты +5 °С, в зоне присоса
атмосферного воздуха -6 °С)Рис. 9.23. Термограмма отремонтирован¬
ной вертикальной трещины в кирпичной
трубе обнаружила сохранение присоса
атмосферного воздуха с градиентом до
-3,7 °Сзз,з°сРис. 9.25. Термограмма зоны износа
внутренней футеровки металлического
газохода
Перегрев мощных шин Перегретый контакт нана гидроэлектростанциях электрической подстанцииРис. 9.26. Тепловизиопная диагностика электрооборудованияа)б)Рис. 9.29. Обнаружение мест нарушения вакуума в турбоустановках тепловой станции:а - зона между корпусом турбины и теплоизоляцией (средняя температура теп¬
лоизоляции 41 °С, понижение температуры в зоне дефекта до 8 °С), 6 - присос воздуха
через трещину в корпусе турбины
б)Рис. 9.30. Пассивный ТК воды в композиционных сотовых конструкциях самолета ТУ-204
(через 1 ч после посадки):а - элерон (справа карта дефектов, полученная УЗ-мстодом за 2 месяца
до гепловизионной съемки), б - руль высотыРис. 9.31. Пассивный ТК воды в алюминиевых сотах воздухозаборников двигателей
самолета ИЛ-96 (через 1 ч после посадки)
г) д) е)Рис. 9.32. Активный ТК воды в авиационных сотовых панелях:а - оптический нагреватель, совмещенный с тепловизором, термограммы 6 -
алюминиевой сотовой панели с двумя зонами воды, в - и рентгенограмма алюминие¬
вой панели, г - панели "стеклопластиковая обшивка - алюминиевые соты", д - панели
"углепластиковая обшивка - бумажные соты", е - стальной сотовой панелиРис. 9.35. Активный ТК стандартного образца (рис. 9.34) [147]:а - исходное изображение в оптимальный момент времени и карта дефектов (5=0,85;
PCd= 78%, Р^а= 30%), 6 - фазограмма и карта дефектов (5=2,59; Рсd =63%, Pfa =5%)
о•>6)в)Рис. 9.38. Ударное повреждение углепластикового композита:а - производство эталонного ударного повреждения, 6 - термограмма передней
поверхности при импульсном возбуждении, в - термограмма задней поверхности при
импульсном возбуждении (метод раннего обнаружения)/, мкмн0 nMfнзоон^fr500н700в—>1000_/, мкм
О3406809201400164019402200Рис. 9.39. Глубинограмма ударного повреждения в углепластике, полученная методом
теш овой томографии (слева) и УЗВ С-сканирования (справа)д^жщт,Томограмма
слоя 1,2-1,9 мм2,0-2,9 ммв)4,0-4,8 ммРис. 9.40. Тепловая томография образца из углепластика толщиной 5 мм
с искусственными дефектами в виде фторопластовых вставок (/ - глубина залегания
дефектов; программа ThermoFit):а - схема расположения дефектов, 6 - исходное изображение (слева) и томограмма
слоя 1,2 1,9 мм (справа), в - тепловые томограммы
б)Рис. 9.41. Температурное иоле химического реактора (а) и резервуара (б)Рис. 9.42. Тепловое иоле печатной платы с перегретыми элементами
(с разрешения фирмы FLIR Systems)
а) б)Рис. 9.51. Обнаружение коррозии задней стенки в стальных изделиях:а секция котла ТЭС (импульсный нагрев 6 кДж, 10 мс), толщина стальной стенки 4 мм,
6 стальной лист толщиной 15 мм (нагрев галогенными лампами 1 кВт, 300 с, слева -
исходное изображение, справа - тепловая томограмма)Рис. 9.52. Термограмма стены холодильного корпуса
а)б)Рис. 9.54. Применение тепловизоров в качесгве приборов ночного видения (ПНВ):а - полицейская операция, б - обнаружение боевой техникив) г)Рис. 9.55. Термографическое проявление патологий:а - рак левого легкого, б - лимфогранулематоз лимфоузлов средостения,
в - варикозное расширение вен на ранней стадии, г - рак печени
ОБНАРУЖЕНИЕ ПРОТИВОПЕХОТНЫХ И ПРОТИВОТАНКОВЫХ МИН353Рис. 9.53. Обнаружение скрытых в почве противопехотных мин:а - солдат армии США использует детектор металла, нашлемный тепловизор и радар,
б - термограмма мин без оболочки (справа) и в алюминиевом корпусе (слева), размещенных
в песке на глубине 3 см (мощность инсоляции около 250 Вт/м2), в - гермограмма двух мин,
скрытых в почве открытого лесного участка (снято с высоты 30 м)боя и в зонах проживания населения име¬
ется большое количество металлических
объектов, создающих высокий уровень
ложной тревоги В настоящее время пер¬
спективными считают радары с излучени¬
ем, направленным в почву, а также тепло-
визионные системы (рис 9 53, а)Стратегия использования различных
методов НК основана на том, что мина,
внесенная в почву, обладает иными, по
сравнению с почвой, физическими свойст¬
вами (плотностью, теплоемкостью, элек¬
тропроводностью и т п ), а также изменяет
локальную структуру почвы С точки зре¬
ния ТК важно, что мины обладают специ¬
фическими ТФХ, а процесс их внесения
сопровождается образованием воздушной
рубашки вокруг мины, изменениями
влажностного режима почвы, коэффици¬
ента излучения и структуры растительного
покрова Принципы активного и пассив¬
ного ТК могут быть применены, если со¬
ответствующие идентификационные па¬
раметры (температура или коэффициент
излучения) обеспечивают сигнал, превы¬
шающий уровень помехТепловизоры используют для обна¬
ружения мин, скрытых в почве, в течение
нескольких десятилетий В монографии Р
Хадсона [1] упоминается, что предельная
глубина обнаружения может достигать40 см, что представляется преувеличениемв свете более поздних исследований Ме¬
ханизм чистой теплопроводности был рас¬
смотрен в п 3 10, в результате чего было
показано, что предельная глубина обна¬
ружения противопехотных мин в боль¬
шинстве случаев не превышает 5 10 см
Учет других физических феноменов и
шумовых факторов, сопровождающих
процесс внесения мин, приводит к слож¬
ной комбинации идентификационных па¬
раметров, что делает процесс принятия
решения ненадежнымНа рис 9 53, б показана термограмма
двух мин, размещенных в песке на глуби¬
не 3 см Несмотря на равномерный излу-
чательный фон, поверхностные тепловые
отпечатки мин составляют доли градуса
вследствие слабой (в данном случае) ин¬
тенсивности солнечного излучения Сле¬
дует подчеркнуть, что, благодаря низкой
теплопроводности тринитротолуола, круг¬
лая безоболочечная мина создает положи¬
тельный температурный сигнал АТ, а мина
в металлическом корпусе - отрицатель¬
ныйПри более мощной инсоляции выяв-
ляемость мин может быть существенно
лучше, например, армия США с успехом
использовала тепловизионную технику
для обнаружения мин в Кувейте в ходе
операции "Шторм в пустыне" Значитель¬
но более трудный случай обнаруженияЧ-БОТ
354ГЛАВА 9 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХдвух мин в почве (указаны стрелкой), по¬
крытой растительностью, приведен на
рис 9 53, в В данном случае идентифика¬
ция возможна благодаря круглой форме
соответствующих температурных отпе¬
чатков (опыту оператора)9,21, СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ
И ОХРАНЫПервые приборы ночного видения
(ПНВ), появившиеся перед Второй миро¬
вой войной, использовали подсвегку сце¬
ны И К прожектором и могли быть легко
обнаружены аналогичными приборами
противникаВ настоящее время применяют пас¬
сивные ПНВ в виде биноклей и очков,
работающие по принципу усилителей све¬
та (image mtensifier) На качество изобра¬
жения в этом классе приборов негативно
сказывается наличие в сцене точечных
ярких источников света С появлением
относительно недорогих малогабаритных
тепловизоров, использующих матричные
неохлаждаемые приемники излучения,
расширяется применение тепловизионных
ПНВПреимуществами тепловизоров яв¬
ляются абсолютная пассивность действия,
независимость о г погодных условий, от¬
сутствие эффекта ослепления и большая
дальность действия В последние годы эти
преимущества были по достоинству оце¬
нены таможенными службами и береговой
охраной, а также полицией США Описа¬
но множество примеров успешного ис¬
пользования тепловизоров в ночных по¬
лицейских операциях, когда удавалось
обнаруживать преступников в полной
темноте, в листве или зарослях, в том чис¬
ле с борта вертолета Возможна установка
нескольких тепловизоров или более про¬
стых ИК-обнаружителей по периметру
охраняемой территории, хотя этому по-
прежнему препятствует более высокая, по
сравнению с обычными ПНВ, цена Поя¬
вились сообщения о начале продажи в
США малогабаритных тепловизоров ры¬бакам-охотникам по цене около 6 тысяч
долларов Полицией США принят к ис¬
пользованию вариант тепловизора Ther¬
maCAM Е2 фирмы FLIR Systems, полу¬
чивший название ThermoVision Scout В
приборе имеется встроенный алгоритм
обработки термограмм - InstAlert, кото¬
рый позволяет окрашивать искомые объ¬
екты, например фигуры людей, в красный
цвет на черно-белом фонеАмериканские фирмы Raytheon и
General Motors были пионерами во вне¬
дрении И К тепловизоров для вождения
автомобилей в ночное время Ожидается,
что в ближайшем будущем и другие про¬
изводители начнут устанавливать на авто¬
мобилях гепловизионные устройства ноч¬
ного видения по цене в несколько тысяч
долларов СШАВ ряде стран, например Финляндии,
созданы поддерживаемые муниципальны¬
ми органами фирмы, в задачу которых
входит поиск пропавших людей с помо¬
щью тепловизора, установленного на бор¬
ту вертолета Сообщалось об использова¬
нии тепловизоров для поиска людей под
развалинами зданий, например, после зем¬
летрясенийДве иллюстрации использования теп¬
ловизоров в качестве ПНВ показаны на
рис 9 54 на цветной вкладке9.22, ВОЕННАЯ ТЕХНИКАОбзор развития ИК техники, приве¬
денный в п 6 1, показывает, что, как и во
многих других областях науки и техники,
развитие ИК технологии стимулировалось
военными применениями Их подробный
анализ выходит за рамки настоящего
справочника, поэтому, в основном, огра¬
ничимся их перечислением (причина дос¬
таточно подробного описания обнаруже¬
ния заглубленных мин с помощью тепло¬
вого метода заключается в том, что в дан¬
ной технологии реализованы принципы
активного ТК)В большинстве военных применений
ИК техники используют ее такие преиму¬
ВОЕННАЯ ТЕХНИКА355щества, как дистанционность, скрытность
от визуального обнаружения, привязка к
энерговыделяющим объектамОсновными военными применениями
являются1) обнаружение искусственных спут¬
ников Земли,2) раннее обнаружение баллистиче¬
ских ракет по излучению факела на актив¬
ном участке траектории,3) обнаружение самолетов, кораблей,
танков и другой боевой техники по излу¬
чению нагретых двигателей и силовых
установок,4) обнаружение скоплений живой си¬
лы и техники,5) обнаружение заглубленных объек¬
тов и сооружений по тепловому контрасту
на поверхности земли,6) обнаружение подводных лодок в
погруженном состоянии по тепловому
следу реактора на поверхности воды,7) самонаведение ракет на воздуш¬
ные, морские и наземные цели,8) навигация и управление полетом
самолетов по наземным ориентирам,9) тепловая разведка объектов и ме¬
стности, составление тепловых карт мест¬
ности,10) бесконтактный подрыв зарядов,11) вождение боевой техники и
транспортных средств в ночных условиях,12) обеспечение прицеливания в тем¬
ноте,13) вскрытие маскировочных меро¬
приятий,14) противодействие ИК средствам
противника, тепловая маскировка,15) охранные мероприятия,16) ИК связь,17) обнаружение очагов возгорания
на военных объектах,18) оценка разрушенийАнализ вышеприведенных областей
показывает, что в военной области ИК
техника, в основном, применяется как
средство поиска и обнаружения (разведки)
или средство наведения боевых средствНаблюдение объектов в ИК лучах
описано в п 9 22 К специфической воен¬
ной технике относятся ИК пеленгаторы,
или теплопеленгаторы, которые обеспечи¬
вают поиск и обнаружение объектов по их
собственному тепловому излучению, а
также определение направления на объек¬
ты Автоматическое наведение на цель
осуществляют с помощью специальных
модуляторов изображения цели Теплопе¬
ленгаторы использовались еще во время
второй мировой войны для обнаружения
воздушных целей В настоящее время их
широко применяют в авиационной, кос¬
мической и военно-морской техникеТепловое излучение сцен является
сложной функцией мишеней и фонов, ис¬
точников тепловой энергии и атмосфер¬
ных условий Собственное или отражен¬
ное излучение проходит от объекта к ИК
системе через атмосферу, где испытывает
поглощение и рассеяние Турбулентность
атмосферы может вызывать рефракцию
лучей и, как следствие, искажение изо¬
бражения объекта в плоскости приемника
излучения Если военная ИК система соз¬
дает изображение цели, то оператор при¬
нимает решение о ее наличии, координа¬
тах и характеристиках Набор данных,
относящихся к излучению цели, называет¬
ся ее сигнатурой Восприятие и оценка
распределения испускаемого излучения по
поверхности объекта составляет основу
выявления и расшифровки ИК сигнатурВоенная ИК техника применялась
британскими войсками во время конфлик¬
та с Аргентиной за Фолклендские острова,
а также войсками США во Вьетнаме, а
затем в ходе операций в Кувейте и Ираке
Имеются сведения об использовании теп-
ловизионных ПНВ российской армией в
Чечне9.23. МЕДИЦИНА9.23.1. ИК тепловидение. В 1939 г
Д Харди обосновал возможность регист¬
рации температуры тела человека по ИК
излучению За прошедшие годы медицин¬
ские приложения стали очевидным и ди¬
356ГЛАВА 9 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХнамичным аспектом тепловидения Пик
интереса к медицинскому тепловидению в
СССР пришелся на 80-е годы прошлого
века, когда тепловизионные осмотры на¬
селения проводились более чем в 135 го¬
родах и обсуждалось создание сети каби¬
нетов тепловизионной диагностики напо¬
добие рентгеновских В те годы был соз¬
дан ряд консультативных тепловизионных
центров и лабораторий (гг Москва, Ле¬
нинград, Горький) и разработаны методи¬
ческие документыОсобенно интенсивные работы по
применению отечественных тепловизоров
проводились в Государственном Оптиче¬
ском Институте им С И Вавилова (г Ле¬
нинград) под руководством М М Мирош-
никова и В П Мельниковой Методиче¬
ское обеспечение медицинского теплови¬
дения более разнообразно, чем техниче¬
ской тепловизионной диагностики, пара¬
метры медицинских тепловизоров регла¬
ментированы ОСТ 3-4408-82 Минмед-
прома СССРНесмотря на определенный спад ис¬
следований по медицинскому тепловиде¬
нию, в России до сих пор сохранилась
система переподготовки и аттестации вра-
чей-термографистов, а отечественный
матричный тепловизор ТКВр-ИФП (Ин¬
ститут Физики Полупроводников СО
РАН) прошел аттестацию в качестве ме¬
дицинского диагностического прибора и
используется в ряде клиник г Новосибир¬
ска и других городовРазвитие отечественного медицин¬
ского тепловидения в целом повторяло
общемировую тенденцию Первичная эй¬
фория, вызванная появлением тепловиде¬
ния как универсального, неинвазивного и
наглядного средства медицинской диагно¬
стики, уступила место пониманию много¬
образия взаимосвязей между патологиче¬
скими изменениями в человеческом орга¬
низме и их проявлением в температурном
поле поверхности тела человека Револю¬
ционизирующее появление рентгеновской
и ЯМР томографии, а также портативнойУЗИ-аппаратуры, снизили интерес прак¬
тикующих врачей к тепловидениюТем не менее, в последнее десятиле¬
тие в такт с появлением нового поколения
тепловизоров и возросшими возможно¬
стями компьютерной обработки интерес к
медицинскому тепловидению возрождает¬
ся В мире сложилось сообщество иссле¬
дователей по данному направлению и соз¬
дано Общество Медицинской Термологии,
которое проводит международные конфе¬
ренции В США тепловизоры применяют¬
ся в качестве инструмента диагностики не
только крупными медицинскими учреж¬
дениями, но и частнопрактикующими вра¬
чамиПоверхность человеческого тела из¬
лучает в следующих диапазонах длин
волн менее 5 мкм - 1 % энергии, 5 ... 9
мкм - 20 %, 9 16 мкм - 38 %, более16 мкм - 41 % Максимум излучения при¬
ходится на длину волны 9,5 мкм На дли¬
нах более 5 мкм коэффициент излучения
человеческой кожи не зависит от расовой
принадлежности, пигментации, индивиду¬
альных особенностей и близок к единице.
Воспалительные и опухолевые процессы,
механические повреждения являются оча¬
гами термоасимметрии в организме, кото¬
рые путем конвекционной, нейрорефлек-
торной и нейрогуморальной теплопереда¬
чи связаны с поверхностью тела человека
в соответствии с рефлекторными зонами,
часто совпадающими с зонами Захарьина-
Геда Диапазон аномальных изменений
температур обычно составляет 0,1 5 °С.При использовании современных те¬
пловизоров и компьютерных средств воз¬
можность осуществлять диагностирование
на уровне 0,05 0,1 °С считают реальной.
Шумовые флуктуации температуры на
поверхности человеческого тела опреде¬
ляются большим количеством факторов,
которые связаны как с особенностями
конкретного человека (конституция, воз¬
раст, пол и др), так и с внешними факто¬
рами (время суток и года, окружающая
температура, влажность и т п) Результа¬
ты исследований, выполненных в Инсти¬
МЕДИЦИНА357туте Радиотехники и Электроники (ИРЭ)
РАН, показали, что различные участки
тела гармонически изменяют свою темпе¬
ратуру во времени, причем частота этого
процесса для нормы и патологии различ¬
на Заметная динамика температурного
поля на поверхности тела человека возни¬
кает также в результате применения
функциональных проб или медикаментоз¬
ного воздействия, что может быть исполь¬
зовано для повышения достоверности ме¬
дицинской диагностикиОбработку динамических последова¬
тельностей в медицине проводят с помо¬
щью специализированных компьютерных
программ, например, SCANPRO (ИРЭ
РАН) Алгоритмы медицинской диагно¬
стики в течение ряда лет разрабатывают в
Московском Институте Радиотехники,
Электроники и Автоматики (МИРЭА)В рамках системы АСТ-1 создан ме¬
тод, в основу которого положен структур-
но-стохастический принцип аппроксима¬
ции информационного пространства диаг¬
ностических параметровМногообразный характер тепловых
проявлений патологий, отсутствие этало¬
нов (например, насчитывают до 4-х типов
термограмм лица) снижают достоверность
медицинской тепловизионной диагности¬
ки Во многих случаях уровень выявляе-
мости патологий относительно невысок
(30 85 % в гастроэнтерологии), а коли¬
чество ложноположительных заключений
велико Считается, что тепловизионный
метод является вспомогательным, хорошо
дополняя стандартные диагностические
процедуры Чисто пассивные способы
тепловизионной диагностики можно соче¬
тать с тепловой СВЧ и УЗВ стимуляцией
В ряде случае (диагностика молоч¬
ных желез и заболеваний органов крово¬
обращения) достаточно погружать руки
пациента в холодную или теплую воду
Следует заметить, что выводы по стати¬
стической надежности теплового метода
были, в основном, получены в 70-80-е
годы прошлого века при использовании
относительно примитивных тепловизоров("Рубин", ТВ-03 и "Радуга") Расширяю¬
щееся применение современных матрич¬
ных тепловизоров может изменить эти
оценки, например, в соответствии с об¬
щими принципами обнаружения сигналов
можно считать, что достоверность диагно¬
стирования ограничена только высоким
уровнем ложноположительных заключе¬
ний (ложной тревоги), поскольку любые
патологии так или иначе отражаются на
температурном поле поверхности тела
человека, и проблема состоит в расшиф¬
ровке слабых сигналовТепловизионные осмотры проводят
при температуре воздуха +19 +21 °С,
влажности 40 70 % и скорости движе¬
ния воздуха не более 0,25 м/с В помеще¬
нии рекомендуется устранить или экра¬
нировать радиаторы отопления, электри¬
ческие лампы, солнечный свет и т п Ис¬
следуемые участки должны быть обнаже¬
ны, лишены косметических и лекарствен¬
ных средств, волосяных покровов, а также
выдержаны в помещении не менее 10 20
минОсновные направления тепловизион¬
ной диагностикив онкологии - раннее выявление пре¬
допухолевой и онкопатологии,в гастроэнтерологии - заболевания
желудочно-кишечного тракта, такие как
язвенная болезнь желудка и двенадцати¬
перстной кишки, холецистопанкреатит,
энтероколит, гепатит, абсцессы брюшной
полости,в урологии - пиелонефрит, мочека¬
менная болезнь, варикоцеле, водянка, цис¬
тит, опухоли предстательной железы, опу¬
холи почек, яичек,в нейрохирургии - травмы нервов,
при выявлении расстройств перифе¬
рического кровообращения - облитери-
рующий атеросклероз, венозная недоста¬
точность, тромбофлебит, болезнь Рейно,
в травматологии, ортопедии и ревма¬
тологии - псориаз, переломы, сколиоз,
артриты, ожоги,в JIOP-патологии и пульмонологии -
ОРЗ, туберкулез,
358ГЛАВА 9 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДАННЫХв ангиологии и эндокринологии -
аритмия, гипертония, инфаркт миокарда,
в пластической хирургии и транс¬
плантологии - контроль приживления
трансплантантаКроме того, тепловидение применя¬
ют в гинекологии, рефлексотерапии и пе¬
диатрии и других областях В 2003 г, в
связи с распространением агипичной
пневмонии, появились сообщения об ис¬
пользовании в аэропортах малогабарит¬
ных тепловизоров для nopoi ового контро¬
ля за температурой пассажировПримеры медицинских термограмм
даны на рис 9 55 на цветной вкладке9.23.2.СВЧ-тепловидение. ИК теп¬
ловидение позволяет регистрировать
только поверхностные температуры био¬
логических объектов, связанные с внут¬
ренними процессами посредс1вом не¬
скольких механизмов теплопередачи
Представляет и н герес per истрироват ь
температуры непосредственно в глубине
биологических тканей, что возможно с
использованием электромагнитного излу¬
чения СВЧ-диапазона с длинами волн от1 до 150 мм (радиотепловой метод)Различают дистанционное (радиоте¬
пловидение) и аппликаторное СВЧ тепло¬
видение Первый метод аналогичен ИК
методу, обеспечивая определение глубин¬
ных интегральных температур при отсут¬
ствии контакта с объектом Результаты
измерений зависят от коэффициента излу¬
чения и условий эксперимента Наиболь¬
шее распространение получило апплика¬
торное СВЧ-тепловидение, которое реали¬
зуют с помощью приемников СВЧ-
излучения и накожных накладных антенн-
зондов (рупоров) В зависимости от режи¬
мов калибровки, частотного диапазона и
конструкции приемника излучения СВЧ-
тепловидение позволяет определять абсо¬
лютные и относительные температуры по
глубине биологических объектовВ ИРЭ РАН создан радиотермограф
РТ-20, который в комплексе со специали¬зированным алгоритмом обработки дан¬
ных может быть использован в качестве
теплового томографаОсновные недостатки практических
СВЧ термометров (термографов)1) низкое пространственное разреше¬
ние (до нескольких см), что связано с ис¬
пользуемыми длинами волн СВЧ-
излучения,2) большое время накопления сигна¬
лов (более 10 с) вследствие низкой интен¬
сивности теплового излучения в СВЧ-
диапазоне,3) необходимость применять сверх¬
высокочувствительные приемники излу¬
чения (обычно сверхпроводящие боломет¬
ры), охлаждаемые до гелиевых температур9.24. ПРОЧИЕ ОБЛАСТИВ криминалистике, помимо извест¬
ных методов обнаружения подделок в от¬
раженном ИК-излучении, выполнены ис¬
следования по фиксации тепловых следов
деятельности человека, сохраняющихся от
нескольких секунд до нескольких часов в
зависимости от вида воздействия и усло¬
вийВ полной темноте с помощью тепло¬
визора можно обнаружить человека на
расстоянии до 2 км (в зависимости от типа
объектива и погодных условий) Теплови¬
зор в состоянии зафиксировать факт не¬
давней парковки автомобилей, обнару¬
жить следы подошв и отстрелянные гиль¬
зы Имеются сведения о возможности об¬
наружения трупов в почве на значитель¬
ной глубине Тепловизор можно исполь¬
зовать в качестве полиграфа (детектора
лжи), поскольку температура некоторых
точек на теле человека тесно связана с его
эмоциональным состоянием, например,
японскими исследователями показано, что
с этой целью следует сравнивать темпера¬
турные распределения глазных впадинИмеются сведения о применении те¬
пловизоров на таможне, в частности, для
обнаружения контрабанды в металличе¬
ских ящиках, заполненных непрозрачной
ПРОЧИЕ ОБЛАСТИ359жидкостью (маслом) Высказывались идеи
создания тепловизионных таможенных
постов для обнаружения в ночное время
грузовиков с контрабандными товарами
на границе России с сопредельными госу¬
дарствамиПредлагалось использовать теплови¬
зоры для обнаружения и анализа аномаль¬
ных явлений в окружающей среде, вклю¬
чая исследование полтергейста С помо¬
щью тепловизора можно исследовать экс¬
трасенсорные возможности человека, на¬
пример, установлен факт разогрева рук
практикующими экстрасенсами за счет
мысленных усилий (одна из гипотез экст¬
расенсорного лечения людей состоит в
том, что при повышении температуры ла¬
доней до температуры внутренних орга¬
нов возникает своеобразный "тепловой
резонанс", который обладает лечебными
свойствами)Анализ вышеприведенных сообще¬
ний показывает, что в большинстве случа¬ев они носят рекламный характер, по¬
скольку не содержат сведений по стати¬
стической достоверности контроля (во
многих случаях нетрудно организовать
"тепловую маскировку" или противодей¬
ствие ИК средствам) Тем не менее, даже
простое перечисление областей, где были
предприняты попытки применить тепло¬
вые (тепловизионные) методы НК и тех¬
нической диагностики, доказывает извест¬
ный тезис Л 3 Криксунова о том, что "воз¬
можности ИК-техники ограничены лишь
нашим воображением" контроль тепло¬
вых градиентов в турбореактивных дви¬
гателях, исследования процесса разогрева
токамаков (Калхэмовская лаборатория и
ряд организаций в СССР и Японии),
контроль за работой миксеров, произво¬
дящих горячий битум для связывания ра¬
диоактивных отходов (Комиссариат по
атомной энергии Франции), тепловизион¬
ные исследования в области фундамен¬
тальной гидро- и аэродинамики и т п
Глава 10АТТЕСТАЦИЯ СПЕЦИАЛИСТОВ В ОБЛАСТИ ТК
И НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ10.1. ПОРЯДОК АТТЕСТАЦИИ
ОПЕРАТОРОВ-ТЕРМОГРАФИСТОВ
В РОССИИДо 2002 г аттестацию специалистов в
облает НК проводил Национальный Ат¬
тестационный Комигет (НАК) Наиболее
стройная система создана Федеральным
горным и промышленным надзором Рос¬
сии (Госгортехнадзором) Однако в рабо¬
тах по ТК также заинтересованы и другие
федеральные ведомства Госэнергонадзор,
Госархстройнадзор и др Усиление требо¬
ваний к лицензированию работ по техни¬
ческой диагностике в промышленности,
аккредитации лабораторий НК и аттеста¬
ция соответствующих специалистов при¬
обрели особое значение после принятия в
1997 1 Федерального закона "О промыш¬
ленной безопасности опасных производ¬
ственных обьектов"Проблема в том, что многие традици¬
онные обьекгы НК, подведомственные
Госгортехнадзору, в частной и обьекгы
котлонадзора, подъемные сооружения,
обьекты хранения и переработки зерна, не
являются первоочередными объектами
применения теплового метода В ю же
время ряд обьектов, для инспекции кото¬
рых широко используют ТК, Moryi нахо¬
диться в сфере интересов двух и более
ведомств Например, дымовые трубы теп¬
ловых станций и промышленных пред¬
приятий Moryi рассматривался как строи¬
тельные сооружения, а также как объекты
повышенной опасности, подведомствен¬
ные I осгоргехнадзору Производственные
корпуса тепловых станций, находящиеся,
как правило, в неудовлетворительном со¬
стоянии с точки зрения энергосбережения,
длшельное время рассматривались лишь в
качестве строительных объекте Однако впоследние годы Минэнерго России ставит
задачу их инспекции с точки зрения про¬
мышленной безопасное I и Госгортехнад¬
зор обладает реальными рычагами воздей¬
ствия на промышленные предприятия лю¬
бой формы собственности, поэтому в по¬
следние годы происходит упорядочение
системы аттестации специалистов именно
в рамках этою федерального ведомства
Лаборатории НК предприятий долж¬
ны быть аттестованы в соответствии с
"Правилами аттестации и основными тре¬
бованиями к лабораториям неразрушаю¬
щего контроля" (ПБ 03-372-00), а органи¬
зации, которые выполняют тепловизион-
ные обследования, должны иметь лицен¬
зии, выданные соответствующими орга¬
нами Наличие лицензии также зависит от
цели обследования Например, для выдачи
заключения о промышленной безопасно¬
сти дымовых груб на нефтехимических
предприятиях необходима лицензия Гос¬
гортехнадзора В то же время для штатной
тепловизионной диагностики дымовых
труб промышленных предприятий доста¬
точно лицензии, выданной Госстроем РФ
Энергоаудит жилых зданий с выда¬
чей энергетического паспорта требует ак¬
кредитации обследующей организации в
Минэнерго РФ в качестве энергоаудитора
Ситуация осложняется тем, что коли¬
чество отечественных государственных
стандартов, нормативных и методических
документов, относящихся к ТК, невелико
(см п 10 2) Ряд этих документов, напри¬
мер ГОСТ 18353 и ГОСТ 23483, были раз¬
работаны в советское время и требуют
переработки в связи с существенной мо¬
дернизацией аппаратурной базы теплови¬
дения и появлением новых способов кон¬
троля Пособиями для подготовки специа¬
листов по ТК могут служить книги [10,
НОРМАТИВНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ В ОБЛАСТИ ТК36112-15, 70, 177], справочник Российского
Общества Неразрушающего Контроля и
Технической Диагностики (РОНКТД)
[178] и настоящее изданиеСогласно "Правилам аттестации пер¬
сонала в обпасти неразрушающего кон¬
троля" (ПБ 03-440-02) агтестации подле¬
жит персонал, выполняющий контроль с
применением следующих видов (методов)
НК1) ультразвукового,2) акустико-эмиссионного,3)радиационного,4) магнитного,5) вихретокового,6) пропикающими веществами (ка¬
пиллярного и течеискания),7) визуального и измерительного,8) вибродиагностического,9)электрического,10) теплового,11) оптическогоПредусмотрена возможность исполь¬
зования других методов НРК при наличии
соответствующей документации и квали¬
фикационных требованийСпециалисты аттестуются Независи¬
мым органом по аттестации но трем уров¬
ням профессиональной квалификации 1, II
и III Список учебио-аттестациопных цен¬
тров по обучению и сертификации
персонала НК России приведен в [179]Первый уровень агтестации является
низшим Специалисты I-го уровня способ¬
ны настраивать аппаратуру контроля, про¬
водить испытания и описывать результа¬
ты Выдавать заключения по результатам
обследований разрешено специалистам 11-
го уровня, которые также могут разраба¬
тывать технологические инструкции и
карты контроля Специалисты Ш-го уров¬
ня могут руководить всеми операциями по
НК, включая выдачу заключений, кроме
того, они могут принимать участие в под¬
готовке и аттестации специалистов на I, II
и III уровни квалификацииТребования к содержанию, порядку
проведения экзаменов и документации
изложены в документе ГосгортехнадзораПБ 03-440-02 Типовая программа подго¬
товки по ТК и список экзаменационных
вопросов приведены в Приложении. Су¬
щественной частью аттестации является
практический экзамен, который сдают с
использованием экзаменационных образ¬
цов, соответствующих объектам коптро-
лям При разработке программ практиче¬
ского экзамена можно использовать лабо¬
раторные работы по ТК, созданные в ряде
российских вузов в рамках учебных кур¬
сов по специальности "Неразрушающие
физические методы контроля"10.2. НОРМАТИВНАЯ
ДОКУМЕНТАЦИЯ В ОБЛАСТИ ТКВ данном параграфе приведены оте¬
чественные и зарубежные нормативные
документы (стандарты, методические ука¬
зания, инструкции и т п ), относящиеся
как к пассивному, так и активному ТК
Следует отметить, что многие документ,
в частности отраслевые стандарты СССР,
к настоящему времени устарели, кроме
того, опущены стандарты, в коюрых опи¬
саны процедуры поверки (проверки) ос¬
новных параметров ИК-тепловизоров и
пирометров10.2.1. Отечественные стандарты.Основные стандарты1 ГОСТ 18353-79 "Контроль нераз¬
рушающий Классификации видов и мею-
дов"2 ГОСТ 23483-79 "Контроль нераз¬
рушающий Методы теплового вида Об¬
щие требования"3 ГОСТ 26629-85 "Метод теплови-
зионного контроля качества Теплоизоля¬
ция ограждающих конструкций"4 ГОСТ 23483-79 "Контроль нераз¬
рушающий Методы теплового вида Об¬
щие требования"5 ГОСТ 26782-85 "Контроль нераз¬
рушающий Дефектоскопы оптические и
тепловые Общие технические требова¬
ния"
362Глава 10 АТТЕСТАЦИЯ СПЕЦИАЛИСТОВ В ОБЛАСТИ ТК6 ГОСТ 25314-82 "Контроль нераз¬
рушающий тепловой Термины и опреде¬
ления"7 ОСТ 1 42107-81 Минавиапрома
СССР "Источники теплового нагруже¬
ния"8 ОСТ 3-4408-82 Минмедпрома
СССР "Приборы тепловизионные меди¬
цинские Методы измерений основных
параметров"9 ОСТ 92-1482 Минобщемаша
СССР "Неразрушающий контроль тепло¬
защитных покрытий"Дополнительные стандарты10 ГОСТ 28243-96 "Пирометры
Общие технические требования"11 ГОСТ 25380-82 "Здания и соору¬
жения Метод измерения плотности теп¬
ловых потоков, проходящих через ограж¬
дающую конструкцию"12 ГОСТ 26254-84 "Здания и соору¬
жения Методы определения сопротивле¬
ния теплопередаче ограждающих конст¬
рукций"13 ГОСТ 26602-85 "Окна Мегод оп¬
ределения сопротивления теплопередаче"14 ГОСТ 8 326-78 "Метрологическое
обеспечение разработки, изготовления и
эксплуатации нестандартизованных сред¬
ств измерений"15 ГОСТ 8 010-72 "Общие требова¬
ния к стандартизации и аттестации мето¬
дик выполнения измерений"16 ГОСТ Р 51379-99 "Энергосбере¬
жение Энер1етический паспорт промыш¬
ленного потребителя топливно-энерге-
тических ресурсов"17 ГОСТ Р 51380-99 "Энергосбере¬
жение Методы подтверждения соответст¬
вия показателей энергетической эффек¬
тивности энергопотребляющей продукции
их нормативным значениям"18 ГОСТ Р 51387-99 "Энергосбере¬
жение Нормативно-методическое обеспе¬
чение"19 ГОСТ Р 51388-99 "Энергосбере¬
жение Информирование потребителей обэнергоэффективности изделий бытового и
коммунального назначения"20 ГОСТ Р 51541-99 "Энергосбере¬
жение Энергетическая эффективность.
Состав показателей"10.2.2. Зарубежные стандарты1 Международный стандарт ISO
6781-83 "Теплоизоляция Качественное
выявление теплотехнических нарушений в
ограждающих конструкциях Инфракрас¬
ный метод"Базовый документ, положенный в ос¬
нову более позднего отечественного ГОСТ
26629-85 Отсутствуют элементы количе¬
ственного подхода к расшифровке термо¬
грамм2 ANSI/ASHRAE Standard 101-1981
"Application of infrared sensing devices to
the assessment of building heat loss charac¬
teristics"- ASHRAE, 1791 Tullie Circle NE,
Atlanta, Georgia 30329, USAПрименение ИК-термографии для
оценки теплопотерь из строительных со¬
оружений3 ASTM Standard С1060-90 "Ther¬
mographic inspection of insulation installa¬
tions in envelope cavities of frame buildings -
ASTM, 1996, USAПрименение ИК-термографии для
проверки качества установки теплоизоля¬
ции в ограждающие конструкции4 ASTM С1153-90 Standard practice
for the location of wet insulation in roofing
systems using infrared imaging - Annual
Book of ASTM Standards, V 04 06, ASTM,
1916 Race Street, Philadelphia, Pennsylvania
19103, US AПрименение ИК-термографии для
обнаружения аномального увлажнения
кровли крыш5 ASTM Designation Е 1186-87
"Standard lractices for air leakage site detec¬
tion in building envelopes", Nov 1987. -
ASTM, 1916 Race Street, Philadelphia,
Pennsylvania 19103, U S AПрименение ИК-термографии для
обнаружения протечек воздуха через ог¬
раждающие конструкции
НОРМАТИВНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ В ОБЛАСТИ ТК3636 SNT-TC-1A Standard "Qualifica¬
tion, certification IR Thermography", USAСертификация в области ИК термо¬
графии7 ASTM Standard Е1316-93 "IR Ter¬
minology Testing", USAТерминология ИК испытаний8 ASTM Standard С 3259-95 "Infra¬
red determination of the temperature of ap¬
plied coating on wood products during the
coating cycle", USAИзмерение температуры покрьпий на
дереве9 ASTM Standard Е 1623-94 "Stan¬
dard test method for determination of fire and
thermal parameters of materials, products and
systems using an intermediate scale", USAОценка тепловых параметров мате¬
риалов и продуктов10 Standard MIL-ST-185 "Survey pro¬
cedure of thermal image method for electrical
components", USAПроцедура обследования электротех¬
нических компонентов11 Standard EPRI-NR-6973 "Guide for
IR thermography", USAРуководство по ИК-термографии12 MIL-HDBK-728, V 1, "Nondes¬
tructive testing"Без комментариев13 Standard MIL-STB-2194 "Infrared
thermal imaging Survey procedure for elec¬
trical equipment", USAПроцедура обследования электротех¬
нических компонентов14 Standard 149-GP-2MP "Manual for
thermographic analysis of building enclo¬
sure", CanadaИК термографический анализ строи¬
тельных сооружений15 Стандарт Японии JIS Т 1141 "Ме¬
дицинская термография" (на япон языке)Без комментариев16 ISO Committee Draft ISO/CD
18434 "Condition monitoring and diagnostics
of machines", 09 01 2003/Проект международного стандарта по
ИК термографической диагностике машин
и механизмов, включая методологиюсравнительной качественной и количест¬
венной проверки температурных режимов,
выработки критериев отбраковки, учета
мешающих факторов, документирования
результатов и т п10.2.3. Прочие нормативные доку¬
менты и методики.1 Диагностика и определение теп¬
лотехнических характеристик наружных
ограждающих конструкций строительных
сооружений тепловизионным методом
(методика) Свидетельство об аттестации
МВИ № 1305/442 от 10 01 2001, Госстан¬
дарт РФ 36 сОдин из последних документов,
оформленных по форме методики Гос¬
стандарта РФ Содержит методические
особенности применения тепловизоров
при контроле ограждающих конструкций
строительных сооружений Описан меха¬
низм возникновения сигнала в дефектных
участках, порядок определения сопротив¬
ления теплопередаче, принципы расшиф¬
ровки термо1 рамм и форма протокола2 Методика диагностики и энерге¬
тических обследований наружных ограж¬
дающих конструкций строительных со¬
оружений тепловизионным бесконтакт¬
ным методом Аттестована Госстандартом
Российской Федерации в 2000 г, новая
редакция аттестована в 2001 гИспользуется Мосгосэнергонадзором
при определении энергоэффективности
наружных ограждающих конструкций
строительных сооружений3 Методика тепловизионной диаг¬
ностики дымовых труб и газоходов Сви¬
детельство об аттестации МВИ № 11/442
от 6 03 2002, Госстандарт РФ 44 сОдин из последних документов,
оформленных по форме методики Гос¬
стандарта РФ Содержит методические
особенности применения тепловизоров
при контроле кирпичных, железобетонных
и металлических футерованных дымовых
труб Описаны типичные дефекты дымо¬
вых труб, теория возникновения сигнала в
дефектных учасгках, принципы расшиф¬
ровки термограмм и форма протокола
364Глава 10 АТТЕСТАЦИЯ СПЕЦИАЛИСТОВ В ОБЛАСТИ ТК4 Методические указания по ин¬
фракрасной диагностике тепломеханиче¬
ского оборудования (1-я редакция), РАО
"ЕЭС России", ОРГРЭС, Москва, 1998Документ разработан на основе мно¬
голетнего опыта применения тепловизо¬
ров в организации ОРГРЭС (г Москва)5 Вестник Госэнергонадзора Инст¬
руктивное письмо от 11 06 99 № 32-10/223
"О применении портативного компьютер¬
ного термографа ИРТИС-200"В письме организациям Минэнерго
РФ рекомендуется применять отечествен¬
ный тепловизор ИРТИС-2006 Объемы и нормы испытаний элек¬
трооборудования, РД 34 45-51 300-97,
РАО "ЕЭС России", М , ЭПАС, 1998Один из наиболее проработанных
отечественных нормативных документов в
области тепловизионной диагностики
электротехнических установок и изделий
Обязателен для применения в системе
Минэнерго РФ, РАО "ЕЭС России" и на
тяговых подстанциях железнодорожного
транспорта7 Ведомственные строительные
нормы по теплотехническим обследовани¬
ям наружных ограждающих конструкций
зданий с применением малогабаритного
тепловизора (ВСН 43-96) Утвержден30 07 96 Департаментом строительства г
МосквыМетодические указания по примене¬
нию тепловидения в строительной диагно¬
стике, почерпнутые в значительной части
из международного стандарта ISO 6781-83 Ряд операций контроля описан в рас¬
чете на устаревшие модели тепловизоров8 Прейскурант на эксперименталь-
но-наладочные работы и работы по со¬
вершенствованию технологии и эксплуа¬
тации электростанций и сетей, том 7, раз¬
дел 28 "Инфракрасный контроль состоя¬
ния энергетического оборудования и со¬
оружений" Москва, ОРГРЭС, 1992Основной документ при расчете
стоимости тепловизионного обследования
большого числа объектов в энергетике,
строительстве, жилищно-коммунальном
хозяйстве Расценки 1991 г требуют соот¬
ветствующего пересчета Стоимость рядаопераций приведена в расчете на устарев¬
шие модели тепловизоров9 СП 13-101-99 "Правила надзора,
обследования, проведения технического
обслуживания и ремонта промышленных
дымовых и вентиляционных труб" М.
Госстрой РФ, 199910 Инструкция по эксплуатации же¬
лезобетонных дымовых труб с металличе¬
скими газоотводящими стволами на теп¬
ловых электростанциях, РД 34 21-562-93.11 Технологический регламент по
теплотехническим обследованиям, нераз¬
рушающему контролю и диагностике тех¬
нического состояния тепловыделяющих
объектов автоматизированным бескон¬
тактным тепловизионным методом Свид.об аттестации №06/442-2001 от 26 06 0,
Госстандарт РФ 20 сОбщие положения по использованию
портативных тепловизоров и софтвера
IrWin (FLIR Systems) для диагностики
разнообразного оборудования12 Thermographic Inspection of Elec¬
trical Installations - Publ 556 556 776,
AGEMA Infrared Systems Inc, 1985, Swe¬
den 45 pПервые в мире методические реко¬
мендации по контролю электротехниче¬
ских изделий и установок, разработанные
фирмой AGEMA Infrared Systems (Шве¬
ция), материалы публикации широко ис¬
пользованы в соответствующих россий¬
ских документах13 Guidelines for Specifying and Per¬
forming Infrared Inspections Infraspection
Inst, 1st Ed , Jan 1988, USA 18 pОбщие методические вопросы прове¬
дения тепловизионных обследований, раз¬
работанные учебным институтом Infras¬
pection (США)14 Merkblatt uber Thermografische
Untersuchungen an Bauteilen and Bau-
werken, DGZfP, Ausgabe October 1993, Ber¬
lin, Germany 8 pМетодические указания по термогра¬
фическому контролю строительных со¬
оружений и изделий, разработанные не¬
мецким обществом неразрушающего кон¬
троля
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1 Хадсон Р. Инфракрасные систе¬
мы М Мир, 1972 530 с2 Vernotte P. Mesure de la conduc-
tibilite thermique des isolants Methode de
toushau // Chaleur et Industrie 1937 N 208
p 331-337 (in French)3 Beller W.S. Navy sees promise in
infrared thermography for solid case check¬
ing // Missiles and Rockets V 16 No 22
Jan 4, 1965 P 1234-12414 Carslow H.S., Jaeger T.S. Conduc¬
tion of heat in solids Oxford Umv Press,
Oxford, UK, 1959 580p5 Лыков A.B. Теория теплопровод¬
ности M Высшая школа, 1967 604 с6 Balageas D.L., Krapez J.-C., Cielo
P. Pulsed photo-thermal modeling of layered
materials // J Appl Physics, V 59 No 2
January 5 1986 P 348-3577 Vavilov V., Taylor R. Theoretical
and practical aspects of the thermal NDT of
bonded structures // "Res Techn in NDT",
ed by R Sharpe, V 5 1982 Academic
Press, London, U К P 239-2808 MacLaughlin P.V., MirchandaniH.G Aerostructure NDT evaluation by ther¬
mal field detection (Phase II) Final Rep,
AIRTASK, Naval Air System Command
AIR-310G Wash, DC, US A 1984 198 p9 Попов Ю.А., Карпельсон A.E.,
Строков В.А. и др Тепловой контроль
качества многослойных изделий // Дефек¬
тоскопия 1976 №3 С 76-8110 Вавилов В.П. Тепловые методы
неразрушающего контроля Справочник
М Машиностроение, 1991 240 с11 Nondestructive Testing Hand¬
book, V 3 "Infrared and Thermal Testing",
US A, AS NT, 2001 714 p12 Бажанов С.А. Инфракрасная ди¬
агностика электрооборудования распре¬
делительных устройств Библиотечка
электротехника, Прилож журн "Энер¬
гетик", М НТФ "Энергопрогресс", "Энер¬
гетик", 2000 76 с13 Вавилов В.П., Климов А.Г.Тепловизоры и их применения М Интел
универсал, 2002 88 с14 Вавилов В.П., Александров А.Н.
Тепловизионная диагностика в энергетике
Прилож журн "Энергетик", М НТФ
"Энергопрогресс", "Энергетик", 2003 82 с15 Будадин О.Н., Потапов А.И.,
Колганов В.И и др Тепловой неразру¬
шающий контроль изделий М Наука,
2002 476 с16 Волков Э.П., Гаврилов Е.И.,
Дужих Ф.П. Г азоотводящие трубы ТЭС и
АЭС М Энергоатомиздат, 1987 340 с17 Тиваиов Г.Г. Анализ математи¬
ческих моделей, используемых при тепло¬
вом контроле качества композиционных
материалов // Дефектоскопия 1987 № 5
С 83-8518 Maillet D., Andre S., Batsale J.-C.et al. Thermal quadrupoles Solving the heat
equation through integral transforms John
Wiley & Sons Publ, England, 2000 360 p19 Parker W.J., Jenkins R.J., ButlerC.P., Abbot G.L. Flash method of determin¬
ing thermal diffusivity, heat capacity and
thermal conductivity // J Appl Physics, Sept
1961 V 32 P 1679-168420 Troitsky O.Yu., Reiss H. Remote
nondestructive monitoring of coatings and
materials by the flash technique // High Tem-
peratures-High Pressures, 2000 V 32
P 391-39521 Delpesh P.M., Krapez J.-C., Bal¬
ageas D.L. Thermal defectometry using the
temperature decay rate method // In "Proc
Quant Infr Thermography QIRT-94", Eu-
rotherm Seminar #42, August 23-26, 1994,
Sorrento, Ital P 220-22522 Fourier J. Theory du mouvement de
la chaleur dans les corps solides, ler partie //
Memoires de l'Academie des SciencesV 4 1924 P 185-555 V 5, 1926 P 153-
24623 Angstrom M.A. New method of de¬
termining the thermal conductibility of bod¬
ies Phil Mag, V 25, 1863 P 130-142
366СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ24 Almond D., Patel P. Photothermal
science and techniques Chapman & Hall,
London, 1996 242 p25 Vavilov V., Demin V., Shiryaev V.
Inspecting smokestacks by IR thermographic
surveying and heat conduction modeling In
Proc SPIE "Thermosense-XXIII", 2001V 4360 P 324-33226 Aamodt L.C., Maclachlan Spicer
J.W., Murphy J.C. Analysis of characteris¬
tic thermal transit times for time-resolved
infrared radiometry studies of multilayered
coatings // J Appl Physics, Vol 68, 15
December, 1990 P 6087-609727 Bison P.G., Grinzato E., Bra-
giotti A. Et al. Non-destructive evaluation of
cracks in porous building materials by use of
crawling spot thermal technique In Rev of
Progress in Quant NDE, ed DO Thompson
and DE Chimenti, V 15, Seattle, USA,
P 653-65828 Batsale J.C., Bendada A., Maillet
D., Degiovanni A. Distribution of a thermal
contact resistance inversion using expe¬
rimental Laplace and Founer transformations
and an asymptotic expansion // Proc 1st Intern
Conf on Inverse Problems in Engineering,
Palm Coast, Florida, June 13-18, 199329 Карпельсон A.E., Попов Ю.А.,
Упадышев А.Б. Определение оптималь¬
ного режима активного теплового кон¬
троля изделий с нарушением сплошности //
Дефектоскопия 1978 №8 С 86-9530 Вавилов В.П., Касаткин М.А.
Тепловой контроль жаропрочных никеле¬
вых сплавов//Дефектоскопия 1990 №4
С 51-5431 Bendada A., Maillet D., Degiova¬
nni A. Nondestructive transient thermal
evaluation of laminated composites discri¬
mination between delaminations, thickness
variations and multidelaminations // Proc
Eurotherm Seminar 27 "Quant InfraRed
Thermography QIRT’92", July 7-9, 1992,
Chatenay-Malabry, France P 218-22332 Sendur I.K., Baertlein B.A. Nu¬
merical simulation of thermal signatures of
buried mines over a diurnal cycle // Proc
SPIE "Detection and remediation technolo¬gies for mines and minelike targets", 2000 P
144-15033 Delpech Ph., Balageas D. Mesure
par thermographie infrarouge stimulee de
resistances thermique d'interface dans des
structures bonnes condutrices de la chaleur //
Joumee d'Etude du 9 Janvier 1991, Soc.Fr.
des Thermiciens, Pans, France 12 p34 Balageas D., Deom A.A., BoscherD.M. Characterisation and NDT of carbon
epoxy composites by a pulsed photothermal
method // Mater Evaluation, April 1987 P.
461-46535 Krapez J.-C., Balageas D. Early
detection of thermal contrast in pulsed stimu¬
lated infrared thermography // "Proc Quant.
Infr Thermography QIRT-94" Eurotherm
Seminar #42, August 23-26, 1994, Sorrento,
Italy P 260-26636 Vavilov V.P., Grinzato E., Bison
P.G. Thermal characterization and tomo¬
graphy of carbon fibre reinforced plastics
using individual identification technique //
Mater Evaluation, May 1996, V 54, No. 6.
P 604-61137 Boscher D.M., Deom A.A.,
Gardette G., Balageas D. Thermal NDT of
carbon epoxy laminates // "Proc Eurotherm-4
Seminar", June 28-July 1, 1988, Nancy,
France P 46-5038 Grinzato E., Marinetti S. Mate¬
rials NDE by non linear filtering applying
heat transfer models // "Advances in Signal
Processing for Non Destructive Evaluation
of Materials", ed by X Maldague, NATO
ASI Series, Series E Applied Sciences, Klu-
wer Academic Publishers V 262, 1994.
P 117-13239. Krapez J.-C., Cielo P. Thermo¬
graphic NDE data inversion procedure (Part
I 1D Analysis)//Res in NDE, 1991 V. 3,
No 2 P 69-10040 Кущ Д.В., Рапопорт Д.А., Бу-
дадин О.Н. Обратная задача автоматизи¬
рованного теплового контроля // Дефекто¬
скопия, 1988 №5 С 64-6841 Krapez J.-C., Maldague X., Cielo
P. Thermographic NDE Data inversion pro¬
cedure (Part II 2D analysis and experimental
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ367results) // Res in NDE, No 2,1991 P 101-12442 Вавилов В.П., Ширяев B.B.Способ определения размеров дефектов
при тепловом контроле // Дефектоскопия,
1979, № 11 С 101-10243 Favro L.D., Crowther D.J., Kuo
р.К., Thomas R.L. Inversion of pulse-echo
thermal wave Images // Proc SPIE "Thermo-
sense-XV", V 1933,1993 P 138-14144 Walther H.G., Seidel U. Some
remarks on definition, resolution and contrast
in photothermal imaging // Proc Eurotherm
Seminar #27 "Quant Infrared Thermo-
graphy-QIRT 92", July 7-9, 1992, Chatenay-
Malabry, France P 251-25845 Rosenfeld A., Kak A. Digital Pic¬
ture Processing V 1, Academic Press, Or¬
lando, U S A,1982 434 p46 Вавилов В.П., Джин X., Томас
P., Фавро Jl. Экспериментальная тепловая
tomoi рафия твердых тел при импульсном
одностороннем нагреве // Дефектоскопия
1990, № 12 С 60-6547 Vavilov V.P., Maldague X. Dy¬
namic thermal tomography new promise in
the IR thermography of solids // Proc SPIE,V 1682 "Thermosense-XIV", 1992 P 194-
20648 Vavilov V., Bison P.G., BressanC. et al Some new ideas in dynamic thermal
tomography // Proc Eurotherm Seminar #27
"Quant Infrared Thermography-QIRT 92",
July 7-9, 1992, Chatenay-Malabry, France
P 259-25549 Busse G., Renk F.F. Stereoscopic
depth analysis by thermal wave transmission
for NDE Appl Phys Lett, V 42 (4), 15
February, 1983, P 366-36850 Vavilov V.P., Maldague X., Du-
fort B., Ivanov A.I. Adaptive thermal tomo¬
graphy algorithm // Proc SPIE "Thermo-
sense-XV", V 1933,1993 P 166-17351 Maldague X., Marinetti S. Pulse
phase infrared thermography J Appl Phys,
1996, V 79, P 2694-269852 Вавилов В.П., Маринетти С.Импульсная фазовая термография и теп¬
ловая томография на базе преобразования
Фурье//Дефектоскопия 1999 №2 С 58-7253 Galmiche F., Vallerand S., Mal¬
dague X. Wavelet transform applied to
pulsed phase thermography // "Proc V-th
Workshop on Advances in Infrared Techno¬
logy and Applications", ed by E Grmzato,
P Bison and A Mazzoldi, CNR (Venice,
Italy), 1999 P 117-12254 Galmiche F., Maldague X. Depth
defect retrieval using the wavelet pulse
phased thermography // Proc Eurotherm
Seminar N 64 "Quant IR Thermography",
Reims, France, July 18-21, 2000 P 194—
19955 Grinzato E., Vavilov V. Corro¬
sion evaluation by thermal image processing
and 3D modeling Rev Generale Termique,V 37, N 8, Sept, 1998 P 669-67956 Carlomagno G.M., Berardi P.G.
Unsteady thermophototopography in nonde¬
structive testing // "Proc 3rd Biannual Ex¬
change, U S A , St Louis, 1976 P 33-3957 Busse G., Wu D., Karpen W.
Thermal wave imaging with phase sensitive
modulated Thermography // J Appl Physics,V 71,1992 P 3962-396558 Wu D., Salerno A., Malter U. et
al Inspection of composites by using lockin
thermography // Proc Eurotherm Seminar 27
"Quant InfraRed Thermography QIRT’96",
July 7-9, 1992, Chatenay-Malabry, Italy P
251-25459 Kuo P.K., Feng Z.J., Ahmed T.et al. Parallel thermal wave imaging using a
vector lock-in video technique Photoacous-
tic and photothermal phenomena, ed P Hess
and J Pelzl, Heidelberg Sprmger-Verlag,
1987 P 415-41860 Busse G., Wu D., Karpen W.
Thermal wave imaging with phase sensitive
modulated thermography // J Appl Phys,V 71, 1992 P 3962-3965
368СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ61 Laloue P., Nigon F., OffermannS. et al. Photothermal infrared thermography
applied to the characterization of thermal
resistances at metal-metal interfaces // Proc
Eurotherm Seminar N 64 "Quant IR Ther¬
mography", Reims, France, July 18-21, 2000
P 206-21162 Dillenz A., Zwepscher Th., Busse
G Elastic wave burst thermography for NDE
of subsurface features Insight, V 42, N 12,
December 2000 P 815-81763 Zwepscher Th., Dillenz A., Busse
G. Ultrasound lock-m thermography - a de¬
fect selective method for the inspection of
aerospace components Insight, V 43, N 3,
March 2001 P 173-17964 Dillenz A., Zwepscher Th., BusseG. Phase angle thermography with ultrasound
burst excitation // Proc Eurotherm Seminar
N 64 "Quant IR Thermography", Reims,
France, July 18-21,2000 P 247-25265 Favro L.D., Xiaoyan Han, Zhong
Ouyang, Gang Sun, Hua Sui, Thomas R.L.
Infrared imaging of defects heated with a
sonic pulse // Rev Sci Instr, V 71, June
2000 P 2418-242266 Delpesh Ph., Krapez J.-C., Bal-
ageas D. Thermal defectometry using the
temperature decay rate method // Proc
Quant Infrared Thermography QIRT’94,
Eurotherm Seminar No 42 "Quant IR Ther¬
mography, August 23-26, 1994, Sorrento,
Italy P 220-22567 Shepard S. Advances m pulsed
thermography // Proc SPIE "Thermosense-
XXIII", V 4360,2001 P 511-51568 Wang Y.Q., Kuo P.Q.,
Favro L.D., Thomas R.L. Flying laser ther¬
mal wave IR imaging of horizontal and verti¬
cal cracks // Rev of Progress in Quant
NDE, Vol 9, Plenum Press, New York, 1989
P 511-515]69 Bison P.G., Bragiotti A., BressanC. et al. Crawling spot thermal NDT for plas¬
ter inspection and comparison with dynamic
thermography with extended heating // Proc
SPIE "Thermosense-XVII", 18-21 April,
1995, Orlando, USA P 234-24070 Стороженко B.A., ВавиловВ.П., Волчек А.Д. Неразрушающий кон¬
троль качества промышленной продукции
активным тепловым методом Киев Тех¬
ника, 1988 128 с71 Cramer К.Е., Winfree W.P.
Thermographic detection and quantitative
characterization of corrosion by application
of thermal line source // Proc SPIE "Thermo-
sense-XX" 1998 P 291-29772 Lesniak J.R., Boyce B.R. Differ¬
ential thermography applied to structural in¬
tegrity assessment // Proc SPIE "Thermo-
sense-XVH", 1995 P 179-18773 Ritter R., Schmitz B. Photo-
thermal inspections of adhesion strengths and
detection of delaminations // Proc Eurotherm
Seminar 27 "Quant InfraRed Thermography
QIRT’96", Chatenay-Malabry, Italy, July 7-
9,1992 P 251-25474 Horny N., Henry J.-F., Offer¬
mann S. et al Photothermal infrared ther¬
mography applied to the identification of thin
layer theimophysical properties // Proc Euro¬
therm Seminar No 64 "Quant IR Thermo¬
graphy", July 18-21 France, Reims, 2000 P
36-4175 Gros X.E., Strachan P., LowdenD.W., Edwards I. NDT data fusion // Proc
6-th European Conf NDT V 1, 1994
P 355-36476 Shark L.K., Matuszewski B.J.,
Smith J.P., Varley M.R. Automatic feature-
based fusion of ultrasonic, radiographic and
shearographic images for aerospace NDT //
Insight 2001, V 43 No 9 P 607-61577 Gros X.E., Bousigue J., Takaha-
shi K.. NDT data fusion at pixel level,
NDT&E International, 1999 V 32 P 283-
29278 Gyekenyesi A.L. Testing static
and dynamic stresses m metallic alloys using
thermoelastic stress analysis // Mater Evalua¬
tions, March 2002 P 445-45179 Wong A.K., Sparrow J.G., Dunn
S.A. On the revised theory of the thermoelas-
tic effect // of Physics and Chemistry, 1988,V 49 P 395-400
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ36980 Tenek L.H., Henneke E.G. IIFlaw dynamics and vibrothermographic-
thermoelastic NDE of advanced composite
materials// Proc SPIE "Thermosense-XHl"1991 P 252-25981 Ранцевич В.Б. Тепловой метод
выявления трещин при стендовых испы¬
таниях изделий на усталость // Дефекто¬
скопия, 1977 №5 С 102-10882 Куриленко Г.А. Контроль и
прогнозирование индивидуального сопро¬
тивления усталости деталей машино¬
строения на основе кинетики пассивных
тепловых полей Докторская диссертация,
Новосибирский Государственный Техни¬
ческий Университет, 2000 С 40183 Luong М.Р. Infrared thermogra¬
phy of fatigue m metals // Proc SPIE "Ther¬
mosense XIVм V 1682,1992 P 222-23284 Luong M.P. Infrared thermogra¬
phic evaluation of fatigue behavior of con¬
crete // Transact 14th Intern Conf on Struc¬
tural Mech In Reactor Technol (SMiRT 13),
Lyon, France, Aug 17-22,1997 P 155-16285 Prabhu D.R., Howell P.A., SyedH.I., Winfree W.P. Application of artificial
neural networks to thermal detection of dis-
bonds // Rev Progress m Quant NDE, ed
D О Thompson, D E Chimenti, Plenum
Press, New York, V 11,1992 P 1331-133886 Prabhu D.R., Winfree W.P. Neu¬
ral network based processing of thermal
NDE\data for corrosion detection // Rev Pro¬
gress in Quant NDE, ed D О Thompson,
D E Chimenti, Plenum Press, New York,V 12,1993 P 1260-126587 Maldague X. et al A study of de¬
fect depth using neural networks in pulsed
phase thermography modelling, noise, ex¬
periments // Rev Generale de Termique,V 37, No 2, Sept 1998 P 708-71688 Ciliberto A., Cavaccini G., Sal-
vetti O. et al. Porosity detection m composite
aeronautical structures Infrared Physics &
Technology, V 43,2002 P 139-14389 Hermosilla-Lara S., Joubert P.-I., Placko D. et al. Enhancement of open-
cracks detection using a principal componentanalysis/wavelet technique in photothermal
nondestructive testing // Abstr Intern Conf
Quant Infrared Thermography QIRT’02,
Sept 24-27, 2002, Dubrovnik, Croatia
P 12-1390 Брамсон M.A. Справочные таб¬
лицы по инфракрасному излучению на¬
гретых тел М Наука, 1965 С 22391 Госсорг Ж. Инфракрасная тер¬
мография М Мир, 1988 С 39692 DelGrande N., Clark G.A.,
Durbin P.F. et al. Buried object remote de¬
tection technology for law enforcement Proc
SPIE, V 1479 "Surveillance Technologies",
April 1991 P 335-35293 Булюбаш Б.В., Гуревич В.З.
Электричество и тепло М Наука, 1978
С 17294 Green D.R. Principles and applica¬
tions of emittance-mdependent infrared non¬
destructive testing Appl Optics, V 7. No 9,
1968 P 1976-198395 Baker I.M., Crimes G., Ard C. et
al. Photovoltaic CdHgTe-Silicon Focal
Planes // Proc IV Intern Conf on Advanced
Detectors and Systems, London, U К, Insti¬
tution of Electrical Engineers, June 1990
P 53-5896 Gunapala S.D., Bandara S.V.,Liu J.K. et al Quantum well infrared
photodetector research and development at
Jet Propulsion Laboratory Infr Physics &
Techn , V 42(2001) P 267-28297 Sheppard F.D., Yang A.C. Sili¬
con Shottky retinas for infrared imaging
1EDM (Intern Electron Devices Meeting)
Technical Digest, USA, New York, Insti¬
tute of Electrical and Electronic Engineers,
Dec 1973 P 310-31398 Якушенков Ю.Г. Теория и рас¬
чет оптико-электронных приборов М
Машиностроение, 1989 360 с99 Мирошников М.М. Теоретиче¬
ские основы оптико-электронных прибо¬
ров JI Машиностроение, 1983 696 с100 Ллойд Д. Системы тепловиде¬
ния М Мир, 1978 410 с
370СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ101 Справочник по инфракрасной
технике (под ред У Волфа и Г Цисиса)
М Мир, 1999 (в 4-х томах)102 Sachs L. Applied Statistics New
York Sprmger-Verlag, 1982 220 p103 Taylor J.O., Dupont H.M. In¬
spection of metallic thermal protection sys¬
tems for the X-33 launch vehicle using pulsed
infrared thermography // Proc SPIE ‘Ther-
mosense-XX", 1998, V 3361 P 301-310104 Дроздов В.А., Сухарев В.И.
Термография в строительстве, М Строй-
издат, 1987 238 с105 Vavilov V.P. Infrared techniques
for materials analysis and nondestructive test¬
ing // "Infrared Methodology and Technol¬
ogy, Monograph Series "Intern Advances in
NDT", ed by X Maldague, Gordon &
Breach Science Publisher, 1994, USA
P 230-309106 Grinzato £., Bison P.G., Mari¬
netti S., Vavilov V. Non-destructive evalua¬
tion of delaminations in fresco plaster using
transient infrared thermography Research in
Nondestructive Evaluation, Springer-Verlag,
New York, 1994, V 5 No 4 P 257-271107 Ljungberg S.-A. Infrared tech¬
niques in buildings and structures operation
and maintenance // Infrared methodology and
technology Nondestructive testing mono¬
graphs and tracts, ed X Maldague, Gordon& Breach Science Publishers, USA, 1992
P 211-252108 Hart J.M. A Practical guide to in¬
frared thermography for building surveys
Building Research Establishment Report,
Garston, Watford, USA 24 p109 Evans J. Meteorology and infrared
measurements // Proc SPIE "Thermosense
IV",V 313, 1981,USA P 64-68110 Вавилов В.П. Диагностика
строительных конструкций методом ин¬
фракрасной термографии // В мире нераз¬
рушающего контроля 2000, №2 С 8—11111 Вавилов В.П. Инфракрасная
термография механических напряжений в
строительных конструкциях (диагностика
казармы ТВВКУС в г Томске после ката¬
строфы) // Контроль Диагностика, 1998,№ 1 С 21-25112 Иванов Г.С., Подолян JIA.
Энергосбережение в зданиях // Новости
теплоснабжения, 2001, № 7 С 8-13113 Moropoulou A., Avdelidis N.P.,
Koui М. Detection of defects of airport
pavements using infrared thermography.
CSNDT J , Sept /Oct 2000 P 5-8114 Frumuselu D., Radu C. IR ther¬
mography applied to ground-level reinforced
concrete constructions belonging to electric¬
ity networks Insight, V 40, No 7, July 1998.
P 501-504115 Grinzato E., Bison P.G., Bres-
san C. et al. Active thermal testing of de-
laminations in frescoes' plaster // Proc. 4th
Intern Conf on Nondestr Testing of Works
of Art, Berlin, Germany, 3-8 October, 1994.
P 357-366116 Bison P.G., Grinzato E., Mari¬
netti S., Braggiotti A. Fresco thermographic
inspection by convective heating technique.
Review of progress in Quantitative Non-
Destructive Evaluation, ed by D О Thomp¬
son and D E Chimenti, Plenum Press, New
York, 1998, V 17 P 1769-1776117 Grinzato E., Bison P.G., BressanC., Mazzoldi A. NDE of frescoes by infrared
thermography and lateral heating // Proc. Eu-
rotherm Seminar #60, QIRT’98, Lodz (Po¬
land), 1998 P 64-67118 Вавилов В.П., Гринцато Э.,
Бизон П., Маринетти С Тепловой кон¬
троль воздушных расслоений под фреска¬
ми Дефектоскопия, 1994, № 7 С 3-83119 Grinzato Е., Bison P.G., Mari¬
netti S., Vavilov V. Thermal NDE Enhanced
by 3D Numerical Modeling Applied to
Works of Art // Proc 15th World Conf on
NDT, Rome (Italy), 15-21 Oct 2000 (avail¬
able only on CD) 9 p120 Spagnolo S., Ambrosini D.,
Paoletti P. Comparative study on the effi¬
ciency of some optical methods for artwork
diagnostics // Proc Laser Techniques and
systems in art conservation Munich 18-19,
June 2001, Proc SPIE,V 4402 P 227-234.121 Grinzato E., Marinetti S.,
Vavilov V., Bison P.G. Nondestructive test¬
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ371ing of wooden painting by IR thermogra¬
phy // Proc 8th Europ Con NDT, Barcelona
2002 P 342-346122 Энно И.К., Дужих Ф.П., Me-
лентьев Н.Н. Дефектоскопия дымовых
труб инфракрасной техникой // Электри¬
ческие станции 1988 №6 С 23-26123 Vavilov V., Demin V.,
ShiryaevV. Inspecting smokestacks by IR
thermographic smokestacks and heat conduc¬
tion modeling // Proc SPIE "Thermosense-
XXIH", V 4360, Orlando, USA, 2001
P 324-332124 Волков Э.П., Гаврилов Е.И.,
Дужих Ф.П. Газоотводящие трубы ТЭС и
АЭС М Энергоатомиздат, 1987 240 с125 Франчук С.В. Таблицы тепло¬
технических показателей строительных
материалов М Энергоатомиздат, 1969
264 с126 Тепловой расчет котельных аг¬
регатов Под ред НВ Кузнецова М
Энергия, 1973 320 с127 Правила технической эксплуа¬
тации электрических станций и сетей РФ
(15-е издание) М СПО ОРГРЭС, 1996128 Хижняков С.В. Практические
расчеты тепловой изоляции М Госэнер-
гоиздат, 1976 236 с129 Lanius М.A. Infrared applications
for steam turbine condenser systems // Proc
SPIE "Thermosense XXII", V 4020, 2000
P 107-113130 Ducar R.J. Pulsed thermographic
inspection and application in commercial
aircraft repair // Proc SPIE "Thermosense-
XXIм, V 3700, 1999 P 77-83131 Airbus adopts infrared thermo¬
graphy for in-service inspection Insight,V 36 No 10, October 1994132 Вавилов В.П., Климов А.Г.,
Ширяев B.B. Активный тепловой кон¬
троль воды в авиационных сотовых конст¬
рукциях // Дефектоскопия, 2002 № 12
С 32-38133 Maldague X., Cielo P., PoussartD., Emerson P. Thermographic nondestruc¬tive evaluation of turbine blades Methods
and image processing Industrial Metrology,V 1,1990 P 139-153134 Морозов Г.А. Развитие методов
неразрушающего контроля в авиации
Контроль Диагностика, №7, 2002 С 3-8135 Rosencwaig A., Gersho A. Ther-
mal-wave imaging Science V 218, Wash¬
ington, D С, American Association for the
Advancement of Science, 1982 P 223-228136 Cielo P. Pulsed photothermal
evaluation of layered materials // J Appl
Phys , 1 July 1984 V 56, No 1 P 230-234137 Cielo P., Dallaire S. Optothermal
NDE of thermal-barrier coatings // Proc ’85
ASM’s Intern Conf Surface Modification
and Coatings, Toronto, Canada, 14-16 Oct,
1985 P 10-14138 Maclachlan Spicer J.W., Kerns
W.D., Aamodt L.C., Murphy J.C. Determi¬
nation of degree of thermal barrier coating
disbanding by time-resolved IR radiometry //
Rev of Progress in Quant NDE V 10B,
Plenum Press, New York, 1991 P 1193—
1200139 Maclachlan Spicer J.W., Kerns
W.D., Aamodt L.C., Murphy J.C. Meas¬
urement of coating physical properties and
detection of coating disbonds by time-
resolved radiometry//J of NDE, V 8 No 2,
1989 P 107-120140 Osiander R., Maclachlan Spicer
J.W., Amos J.M. Thermal inspection of
S1C/S1C ceramic matrix composites Proc
SPIE "Thermosense XX", V 3361, 1998
P 339-348141 Lehtiniemi R., Hartikainen J.,
Ran tala J. et al Fast photothermal inspec¬
tion of plasma-sprayed coatings of primary
circulation seal rings of a nuclear reactor
Part two After the trial run // Rev of Pro¬
gress in Quant NDE, V 12, Plenum Press,
New York, 1993 P 1236-1240142 Varis J., Hartikainen J., Lehti¬
niemi R., Luukkala M. A simple transport¬
able imaging system for fast thermal nonde¬
structive testing // Proc Quant IR Thermo-
graphy-QIRT’92, Pans, France, July 7-9,1992 P 235-238
372СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ143 Laloue P., Nigon F., OffermannS. et al. Photothermal IR thermography ap¬
plied to the characterization of thermal resis¬
tances at metal-metal interfaces // Proc
Quant IR Thermography-QIRT’98, Lodz,
Poland, Sept 7-10,1998 P 81-85144 Netzelmann U., Walle G. High¬
speed pulsed thermography of thin metallic
coatings // Proc Quant IR Thermography-
QIRT’2000, Reims, France, July 18-21,
2000 P 206-211145 Happlodt P.G., Ellingson W.A.,
Gardiner Т., Krueger J. Defect detection in
multi-layered plasma sprayed zirconia by
time-resolved IR radiometry a comparison
between analytical and experimental meth¬
ods// Proc SPIE "Thermosense XVI",V 2245, 1994, P 210-219146 Shepard S.M., Favro L.D., Tho¬
mas R.L. Thermal wave NDT of ceramic
coatings Pr®c SPIE "Thermosense XVII”,V 2473, 1995 P 190-193147 Bison P., Marinetti S., GrinzatoE. et al. Inspecting thermal barrier coatings
by IR thermography // Proc SPIE "Thermo¬
sense XXV", V 5073,2003 P 165-173148 Alcott J. An investigation of non¬
destructive inspection equipment Detecting
hidden corrosion on USAF aircraft Mater
Evaluation, 1994, No 5 P 64-73149 Syed H.I., Winfree W.P., Cramer
K.E., Howell P.A. Thermographic detection
of corrosion in aircraft skin // Rev of Pro¬
gress in Quant NDE, V 12, Plenum Press,
New York, 1993 P 724-729150 DelGrande N.K., Durbin P.F.
Dual-band IR imaging to defect corrosion
damage within airframes and concrete struc¬
tures Proc SPIE "Thermosense XVI",V 2245,1994 P 202-209151 Prati J. Detecting hidden exfolia¬
tion corrosion in aircraft wing skin using
thermography // Proc SPIE "Thermosense-
XXII", 2000, V 4020 P 200-209152 Burleigh D. A portable, combined
thermography/shearography NDT system for
inspecting large composite structures Proc
SPIE "Thermosense-XXIV", V 4710, 2002
P 578-587153 Delpech Ph., Boscher D.M., Le-
poutre F. et al Quantitative nondestructive
evaluation of carbon-carbon composites by
pulsed IR thermography // Rev of Progress
in Quant NDE, V 12, Plenum Press, New
York, 1993 P 672-678154 Burleigh D., Kuhns D., Cowell S.,
Engel J Thermographic nondestructive test¬
ing of honeycomb composite structural parts
of Atlas space launch vehicle // Proc SPIE
"Thermosense-", V 2245,1994 P 132-138155 Thompson K.G., Crisman E.M.
Thermographic inspection of solid-fuel
rocket booster field joint components Mater.
Evaluation, No 48, Sept 1990 P 1096—
1099156 Welch C., Eden T.J. Numerically
enhanced thermal inspection of shuttle solid
rocket motor inhibitor/liner/fuel bondline //
Rev of Progress in Quant NDE, V 8B, Ple¬
num Publishing Corp, New York, 1989.
P 2027-2034157 Burleigh D., Engel J. NDT of ad¬
hesively bonded fixed foam insulation for
Atlas/Centaur cryogenic fuel tanks // Proc 6th
NASA NDE Conf, Johnson Space Center,
Houston, Texas, May 2, 1989 P 86-94158 Burleigh D. Thermographic testing
used on the X-33 space launch vehicle pro¬
gram by BF Goodrich Aerospace // Proc.
SPIE’Thermosense-XXI”, 1999, V 3700
P 84-92159 Концевой Ю.А., Кудин В.Д.Методы контроля технологии производст¬
ва полупроводниковых приборов М:
Энергия, 1973 140 с160 Вавилов В.П. Тепловые методы
контроля композиционных структур и
изделий радиоэлектроники М Радио и
связь, 1984 162 с161 Данилин Н.С., Бакланов О.Д.,
Загоровский Ю.И. Теория и методы не¬
разрушающего инфракрасного контроля
радиоэлектронных схем М Изд МО
СССР, 1974 164 с162 Boillot J.P., Cielo P., Begin G. et
al. Adaptive welding by fiber optic thermo
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ373graphic sensing An analysis of thermal
and instrumental considerations Welding
Journal, July 1985 P 209-217163 Бекешко H.A., Попов Ю.А
Контроль качества точечных сварных со¬
единений термографическим методом //
Дефектоскопия, 1971 №3 С 123-127164 Бекешко Н.А., Попов Ю.А.
Контроль диаметра литой зоны точечных
сварных соединений с помощью визуали¬
зации тепловых полей // Дефектоскопия1972, №6 С 86-90165 Вавилов В.П., Горбунов В.И.,
Кузнецов В.Б. Теоретическое исследова¬
ние одной из задач теплового контроля
точечных сварных швов // Дефектоскопия,1973, №1 С 21-27166 Shepard S., Chaudry В., Pre¬
desky R., Zaluzek M. Pulsed thermographic
inspection of spot welds // Proc SPIE "Ther-
mosense-XX", 1998, V 3361 P 320-323167 Брагина JI.A., Вавилов В.П.,
Иванов А.И. и др Контроль дефектов
диффузионной сварки выпрямительных
элементов активным тепловым методом //
Дефектоскопия, 1983 № 5 С 69-70168 Вавилов В.П., Ширяев В.В.,
Танасейчук С.Ю. Комплексный подход к
проектированию системы теплового кон¬
троля паяных соединений // Дефектоско¬
пия, 1978, № 10 С 63-67169 Денисов С.С., Волков Я.А.,
Стороженко В.А., Рапопорт Д.А. Скани¬
рующая оптическая головка для активного
неразрушающего контроля // Дефекто¬
скопия, 1975, № 6 С 116-118170 Cramer К.Е., Jacobstein R.,
Reilly T. Boiler tube corrosion characteriza¬tion with a scanning thermal line // Proc SPIE
"Thermosense XXmM,V 4360,2001 P 594-605171 Maldague X. Pipe inspection by
IR thermography NDT solution Mater
Evaluation, 1999, V 57, No 9 P 899-902172 Martinez V.M., Martinez B.T.,
Olmeda Gonzalez P.O., Peralta Uria RAV.
Fault detection m diesel engines using infra¬
red thermography Insight, V 44, No 4,
April 2000 P 228-232173 Jones T.S., Lindgren E.A. Ther¬
mographic inspection of marine composite
structures // Proc SPIE "Thermosense XVI",V 2245,1994 P 173-175174 Алеев P.M., Овсянников B.A.,
Чепурский B.H. Воздушная теплови-
зионная аппаратура для контроля нефге-
продуктопроводов М Недра 1995 160 с175 Ljungberg S.-A., Jonsson О. Pas¬
sive gas imaging - preliminary results from
gas leak simulations a field study performed
during real world conditions // Proc SPIE
"Thermosense XXIV", V 4710, 2002 P 468-
477176 Поцелуев A.A., АрхангельскийB.B. Дистанционные методы исследова¬
ния окружающей среды Учебное пособие
для вузов Томск, STT, 2001 С 184177 Синеглазое В.М., Кеткович
А.А. Активная тепловая интроскопия -
Киев Техника, 1990 110 с178 Неразрушающий контроль и
диагностика Справочник / Под ред
В В Клюева, М Машиностроение, 2003
650 с179 Неразрушающий контроль Ро¬
ссия, 1900-2000 г / Справочник Под ре¬
дакцией В В Клюева, М Машинострое¬
ние, 2002 628 с
ПРИЛОЖЕНИЯ1. ТИПОВАЯ ПРОГРАММА ПОДГОТОВКИ
ПЕРСОНАЛА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
ПО ТЕПЛОВОМУ МЕТОДУ
(СИСТЕМА ЭКСПЕРТИЗЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ ГОСГОРТЕХНАДЗОРА РФ)2. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ВОПРОСЫ
ОБЩЕГО ЭКЗАМЕНА ПО ТЕПЛОВОМУ КОНТРОЛЮ
1. ТИПОВАЯ ПРОГРАММА ПОДГОТОВКИ ПЕРСОНАЛА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
ПО ТЕПЛОВОМУ МЕТОДУ (СИСТЕМА ЭКСПЕРТИЗЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИГОСГОРТЕХНАДЗОРА РФ)I уровень (не менее 40 ч)II уровень (не менее 80 ч)III уровеньL Классификация видов и методов НК1 1 Термины и определения
1 2 Тепловой вид НК
1 3 Активный ТК
1 4 Пассивный ТК1 6 Типовые группы дефектов, выяв¬
ляемых ТК1.1 Термины и определения
1 2 Тепловой вид НК1 4 Квалификационная система мето¬
дов ТК1.6 Типовые группы дефектов, выяв¬
ляемых ТК1 3 Тепловой вид НК1 5 Квалификационная система методов ТК
1 6 Типовые группы дефектов, выявляемых
ТК2. Физические основы ТК2 1 Элементы теории теплопроводно¬
сти теплоемкость, теплопроводность и
температуропроводность Определе¬
ния, единицы измерения Закон тепло¬
проводности (Фурье)2 4 Источники теплового излучения,
температура и ее измерение Реперные
точки температурных шкал2 1 Элементы теории теплопроводно¬
сти теплоемкость, теплопроводность и
температуропроводность Определе¬
ния, единицы измерения
2 2 Закон теплопроводности (Фурье)2.4 Источники теплового излучения,
температура и ее измерение Статисти¬
ческое и термодинамическое опреде¬
ление температуры Международная
практическая шкала Яркостная, цве¬
товая и радиационная температура, их
взаимосвязь Реперные точки темпера¬
турных шкал2 1 Элементы теории теплопроводности2 2 Способы измерения ТФХ при импульс¬
ном, гармоническом и изотермическом воз¬
действии2 3 Адиабатические системы Температур¬
ные волны Измерение тепловых потоков,
тепломеры2 4 Источники теплового излучения, темпе¬
ратура и ее измерение Методы фотографи¬
ческой и телевизионной пирометрии Метро¬
логическое обеспечение температурных из¬
мерений Измерение температур при быстро-
протекающих процессахТИПОВАЯ ПРОГРАММА ПОДГОТОВКИ ПЕРСОНАЛА
Продолжение прилож 1I уровень (не менее 40 ч)II уровень (не менее 80 ч)III уровень2 7 Спектр излучения АЧТ Поглоще¬
ние, рассеяние и пропускание ИК из¬
лучения в атмосфере2 5 Закономерности испускания, рас¬
пространения и поглощения теплового
излучения2 6 Коэффициент излучения. Законы
Кирхгофа, Стефана-Больцмана и Вина
Ламбертовский излучатель2 7 Спектр излучения АЧТ Закон
Планка Поглощение, рассеяние и про¬
пускание ИК излучения в атмосфере
Закон Бугера-Ламберта-Бера Инди¬
катрисы отражения и пропускания ИК
излучения Излучение полостей чер¬
ных тел Закон Ламберта Коэффици¬
ент поглощения твердых непрозрач¬
ных тел, методы его измерения Коэф¬
фициент поглощения солнечной ра¬
диации и способы его определения.2 5 Закономерности испускания, распро¬
странения и поглощения теплового излу¬
чения2 6 Тепловое излучение полупрозрачных
и селективно поглощающих сред Урав¬
нение переноса излучения Теплообмен
излучением в излучающей, поглощаю¬
щей и рассеивающей средах Полное
внутреннее отражение ИК излучения, ИК
световоды Спектры излучения типовых
объектов ТК (частотные и оптико¬
геометрические характеристики) ИК
излучение фоновых излучателей, спосо¬
бы его фильтрации Поляризация ИК
излучения Поляризационные ИК фильт¬
ры (типы, характеристики, области при¬
менения)376 ТИПОВАЯ ПРОГРАММА ПОДГОТОВКИ ПЕРСОНАЛА
Продолжение прилож 1I уровень (не менее 40 ч)II уровень (не менее 80 ч)III уровень5. Элементы теории оптико-электронных приборов3 1 Оптические системы для фокуси¬
ровки, модуляции и сканирования ИК
излучения, их характеристики3 1 Оптические системы для фокуси¬
ровки, модуляции и сканирования ИК
излучения, их характеристики Расчет
увеличения и облученности в плоско¬
сти изображения Линзовые объективы
и материалы для их изготовления
Линзы Френеля Оптическая переда¬
точная функция Реакции оптической
системы на точечный, линейный и по-
лубесконечный источники излучения,
их взаимосвязь3 2 Пространственно-частотные спек¬
тры дефектов, методы их фильтрации
Критерии качества изображения Мат¬
ричные и сканирующие преобразова¬
тели изображения, их характеристики
Учет свойств зрения при анализе тер¬
мограмм Пороговая разность темпера¬
тур, обнаруживаемая тепловизором, и
факторы, влияющие на нее3 2 Мультиспектральная и пространст-
венно-частотная селекции ИК излучате¬
лей.3 3 Сигнатуры дефектов, методы их рас¬
познавания3 4 Реакции оптической системы на то¬
чечный, линейный и полубесконечный
источники излучения, их взаимосвязь
Методы устранения влияния посторон¬
них источников излучения на тепловые
изображенияТИПОВАЯ ПРОГРАММА ПОДГОТОВКИ ПЕРСОНАЛА 377
Продолжение прилож 1I уровень (не менее 40 ч)II уровень (не менее 80 ч)III уровень3 5 Цифровые и аналоговые методы
фильтрации пространственных частот
Способы компьютерной обработки теп-
ловизионных сигналов Пороговая раз¬
ность температур, обнаруживаемая теп¬
ловизором, и факторы, влияющие на нее4. Аппаратура ТК4 1 Современные типы приборов ТК
Представление данных и методы реги¬
страции4 2 Пирометры, ИК сканеры, матрич¬
ные тепловизоры, вспомогательные
приборы Способы контроля их харак¬
теристик4 1 Современные типы приборов ТК
Представление данных и методы реги¬
страции4 2 Пирометры излучения, их техни¬
ческие характеристики, способы ка¬
либровки Сканирующие линейные
пирометр и тепловизоры Пировиди-
коны и матричные тепловизоры Спо¬
собы контроля их характеристик4 3 Источники нагрева изделий при
ТК (лазеры, галогенные лампы и т п),
их характеристики4 4 Источники типа АЧТ для калиб¬
ровки тепловизоров
4 5 ИК волоконно-оптические эндо¬
скопы4 6 Тепловизионные микроскопы
4 7 Способы представления термо¬
грамм, термопрофили, изотермы, ок¬
рашивание, трехмерная индикация4 1 Современные типы приборов ТК
Представление данных и методы
регистрации4 2 Компьютерные тепловизионные сис¬
темы с импульсным и стробоскопиче¬
ским нагревом изделий ИК волоконно-
оптические эндоскопы Тепловизионные
микроскопы Тепловизионные системы
для дистанционного мониторинга объек¬
тов (вертолетные, самолетные и спутни¬
ковые системы)4 7 Спектрометрия, способы выделения
частотных диапазонов теплового излуче¬
ния и их обработка для исключения
влияния излучательной способности
4.8 Особенности пирометрии при сверх¬
низких температурах.378 ТИПОВАЯ ПРОГРАММА ПОДГОТОВКИ ПЕРСОНАЛА
Продолжение прилож 1I уровень (не менее 40 ч)II уровень (не менее 80 ч)III уровень5. Технология ТК5 1 Основные информативные пара¬
метры ТК5 3 Выбор метода контроля и аппара¬
туры в зависимости от задачи и вида
объекта контроля5 4 Методика калибровки оборудова¬
ния5 5 Методика измерений и порядок
передачи результатов измерений на
обработку5 1 Основные информативные пара¬
метры ТК Выбор метода контроля и
аппаратуры в зависимости от задачи и
вида объекта контроля Методика
калибровки оборудования
5 2 Пассивный и активный ТК Одно-
и двухсторонний синхронный и не¬
синхронный методы ТК Методы из¬
мерения температур тепловидения
Критерии обнаружения дефектов Ос¬
новные закономерности процедуры
ТК Зависимость максимального тем¬
пературного перепада над дефектом от
площади его раскрытия, глубины зале¬
гания, соотношения дефектов и стан¬
дартных образцов5 1 Основные информативные парамет¬
ры ТК5 3 Выбор метода контроля и аппарату¬
ры в зависимости от задачи и вида объ¬
екта контроля5.4 Методика калибровки оборудования5.6 Статистические процедуры обнару¬
жения дефектов5 7 Тепловая толщинометрия Методы
дефектометрии при ТК Тепловая
томография5 8 Лазерное тепловизионное обнаруже¬
ние утечек в атмосферуТИПОВАЯ ПРОГРАММА ПОДГОТОВКИ ПЕРСОНАЛА 379
Продолжение прилож 1I уровень (не менее 40 ч)II уровень (не менее 80 ч)III уровень6. Метрологическое обеспечение и стандартизация6 1 Понятие о средствах ТК как изме¬
рительных или индикаторных прибо¬
рах в зависимости от требований НТД
Поверка средств ТК6 1 Понятие о средствах ТК как изме¬
рительных или индикаторных прибо¬
рах в зависимости от требований НТД
Поверка средств ТК6 1 Понятие о средствах ТК как измери¬
тельных или индикаторных приборах в
зависимости от требований НТД По¬
верка средств ТК7. Правила безопасности на опасных производственных объектах. Охрана труда.71 Конструкция технических уст¬
ройств, эксплуатируемых на опасных
производственных объектах
7 2 Правила безопасности при экс¬
плуатации опасных производственных
объектов7 3 Требования к качеству техниче¬
ских устройств, зданий, сооружений
(объектов контроля) на опасных про¬
изводственных объектах
7 4 Техническая оснащенность и орга¬
низация работ по ТК в лаборатории НК
7 5 Требования безопасности при про¬
ведении НК7 6 Организация участка для проведе¬
ния НК7 7 Требования техники безопасности
на производстве Общие положения
7 8 Требования пожарной безопасно¬
сти7 1 Конструкция технических устройств,
эксплуатируемых на опасных производ¬
ственных объектах7 2 Правила безопасности при эксплуа¬
тации опасных производственных объек¬
тов7 3 Требования к качеству технических
устройств, зданий, сооружений (объек¬
тов контроля) на опасных производст¬
венных объектах7 4 Техническая оснащенность и органи¬
зация работ по ТК в лаборатории НК
7 5 Требования безопасности при прове¬
дении НК7 6 Организация участка для проведения
НК7 7 Требования техники безопасности на
производстве Общие положения
7 8 Мероприятия по пожарной
безопасности.380 ТИПОВАЯ ПРОГРАММА ПОДГОТОВКИ ПЕРСОНАЛА
Продолжение прилож 1I уровень (не менее 40 ч)II уровень (не менее 80 ч)III уровень8. Основные положения зарубежных
стандартов и отечественных НТД.12 Критерии оценки состояния объ¬
екта контроля с учетом специфиче¬
ских требований каждой отрасли
производства (промышленный сек¬
тор).13 Характерные особенности прове¬
дения ТК строительных объектов и
объектов ЖКХ.14 Характерные особенности прове¬
дения ТК объектов энергетики15 Перспективы развития ТК и об¬
ласти его применения по областям и
объектам контроля.16 Практические занятия по овла¬
дению навыками тепловизионной
съемки.8 Основные положения зарубежных
стандартов и отечественных НТД
Критерии оценки состояния объектов
контроля по результатам ТК и диагно¬
стики с учетом специфических требо¬
ваний каждой отрасли производства9 Современное состояние и направле¬
ния развития ТК, его значимость для
обеспечения качества и надежности вы¬
пускаемой предприятием продукции10. Стандарты, методические рекомен¬
дации, инструкции, порядок оформле¬
ния результатов ТК11. Понятие о других методах НК8 Основные положения зарубежных
стандартов и отечественных НТД9 Современное состояние и направления
развития ТК11. Значимость НРК для обеспечения
качества и надежности выпускаемой
предприятием продукции Понятие о
других методах НРК
12 Критерии оценки состояния объекта
контроля с учетом специфических тре¬
бований каждой отрасли производства
(промышленный сектор)ТИИОВАЯ ПРОГРАММА ПОДГОТОВКИ ПЕРСОНАЛА
2. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ВОПРОСЫ ОБЩЕГО ЭКЗАМЕНА
ПО ТЕПЛОВОМУ КОНТРОЛЮ*1-й уровень квалификации1. Процесс передачи тепла от объекта к
объекту осуществляется:а) теплопроводностьюб) конвекциейв) излучениемг) всем перечисленным2. Температура может измеряться:а) в градусах Цельсияб) в кельвинахв) в градусах Фаренгейтаг) "а", "б" и "в"3.3а начало отсчета в шкале абсолют¬
ных температур принимают температу¬
ру:а)-273 °Сб)0°Св) 1000 °Сг) 6000 °С4. Интегральная интенсивность тепло¬
вого излучения объектов пропор¬
циональна:а) коэффициенту излучения по¬
верхностиб) первой степени температуры
объектав) четвертой степени температуры
объектаг) "а" и "в"5. Коэффициенты отражения поверхно¬
стей могут принимать значения:а) от 0 до 1б) от 0 до оов) от 0 до 10г) "а" и "б"6. Какой характер имеет отражение от
плоской полированной поверхности:а) зеркальное, направленноеб) диффузноев) диффузное, направленноег) "б" и "в"7. Коэффициенты пропускания оптиче¬
ски прозрачных материалов могут из¬
меняться в пределах:а) от 0 до 1б) от 0 до 2в) от 0 до 0,5г) все вышеперечисленное8. Оптическая плотность прозрачного
объекта связана с его толщиной зави¬
симостью:а)линейнойб) квадратичнойв) кубическойг) обратно пропорциональной9. ИК излучение занимает диапазон
длин волн от ... доа) 0,076 0,76 мкмб)0,76 1000 мкмв) 1000 2000 мкмг) 2000 4000 мкм10. АЧТ по определению поглощает ...
падающего на него излучения:а) 25 %б) 50 %в) 75 %г) 100 %11. Серое тело по сравнению с АЧТ при
одной и той же температуре имеет ...
спектр и ... интенсивность излучения:а) гот же большуюб) тот же меньшуюв) другой большуюг) другой меньшую12. Шероховатые поверхности твердых
тел излучают... зеркальные:а) слабее, чемб) сильнее, чемв) так же, какг) "б" или "в"За основу принята программа АНО «Спектр-
Тест-С»
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ВОПРОСЫ38313. Радиационные пирометры, рабо¬
тающие в широком спектральном диа¬
пазоне, используют, в основном, для
измерения температуры тел:а) сильно нагретыхб) слабонагретыхв) "а” и "бг) "а" или "б"14. Действие термоиндикаторов основа¬
но на изменении ... некоторых веществ
при нагреве:а) агрегатного состоянияб)яркостив) цветаг) все перечисленное15. Действие жидкостных термометров
основано:а) на термоэлектрическом эффектеб) температурной зависимости цве¬
тав) зависимости между температу¬
рой и давлениемг) термическом расширении жидко¬
сти16. Рабочим веществом термометров,
использующих шкалу Цельсия, служит:а) водаб)спиртв) ртутьг) "б" и "в"17. Спектральный коэффициент по¬
глощения равен спектральному коэф¬
фициенту излучения:а) у любых телб) АЧТв) серых телг) "а", "б" и "в”18. Наиболее высокой излучательной
способностью при одной и той же тем¬
пературе будет обладать:а) полированный алюминийб) шероховатый алюминийв) полированное железог) литое необработанное железо19. К основным ТФХ объектов не отно¬
сят:а)теплопроводностьб) температуропроводностьв) теплоемкостьг) температуру20. Наиболее высоким коэффициентом
теплопроводности обладает:а) алюминийб) латуньв)сереброг) медь21. Какие средства бесконтактной ви¬
зуализации тепловых полей могут при¬
меняться в ТК:а) пировидиконыб) сканирующие тепловизоры с оп¬
тико-механической разверткойв) тепловизоры с матричными фо¬
топриемникамиг) все вышеперечисленное22. Мгновенное поле зрения скани¬
рующего тепловизора определяется:а) фокусным расстоянием объекти¬
ва тепловизораб) размером приемной площадки
ИК приемникав) относительным отверстием объ¬
ективаг) "а" и "б"23. Поле обзора тепловизора с матрич¬
ным детектором ИК излучения зависит:а) от размера матрицы детекторовб) фокусного расстояния объектива
тепловизорав) светосилы объективаг) "а" и "б"24. Как зависит минимальная обнару¬
живаемая тепловизором разность тем¬
ператур от светосилы его объектива:а) не зависитб) зависит линейнов) зависит нелинейног) зависит случайным образом
384РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ВОПРОСЫ25. Какие эталонные излучатели могут
использоваться для калибровки тепло-
визионных систем:а) полостные излучатели типа АЧТб) планарные (плоскостные) излу¬
чателив) дифференциальные излучатели
АЧТг) все вышеперечисленное26. Если дефект плохо проводит тепло,
то место, где он находится, при одно¬
стороннем активном ТК характеризует¬
ся локальным ••• температуры:а) понижениемб) повышениемв) как "а”, так и "6мг) ни "а", ни "б"27. Момент регистрации температурно¬
го перепада зависит от:а) теплопроводности объекта кон¬
троляб) теплопроводности дефекта в объ¬
екте контроляв) глубины залегания дефектаг) все вышеперечисленное28. Увеличение мощности нагревателя
••• температурный перепад и ••• теку¬
щий температурный контраст:а) уменьшает уменьшаетб) уменьшает... увеличиваетв) увеличивает .. не изменяетг)увеличивает ..увеличивает29. Кратковременный локальный на¬
грев объекта контроля по сравнению со
способом одновременного нагрева всей
поверхности образца обладает ••• эф¬
фективностью выявления дефектов и
••• производительностьюа) повышенной... высокойб) низкой... низкойв) повышенной... низкойг) низкой . высокой30. Для неметаллических объектов ко
троля (приблизительно толщиной'1 до 10 мм) значение момента регист
ции температурного перепада составл
ет:а) несколько мксб) несколько мсв) от нескольких секунд до н
скольких минутг) десятки минут31. При пассивном методе ТК:а) объект контроля нагревают о
внешнего источникаб) объект контроля не нагреваютв) объект контроля нагревается
процессе естественного функцио
нированияг) "а" и "б"32. Для металлических объектов ко
троля (приблизительно толщиной от 1
до 10 мм) значение момента регистр
ции температурного перепада составл
ет:а) несколько мксб) от долей секунд до несколь
секундв) от одной до нескольких минутг) десятки минут33. При дефектоскопии тепловым мет
дом основным информационным пар
метром является:а) температура отдельных точекб) излучательная способностьв) перепад температуры между де¬
фектной и бездефектной зонойг) "а" и "6м34. В полевых условиях тепловизор д
защиты от солнечного излучения до
жен иметь спектральную чувствит
ность с коротковолновой границей
менее:а) 1 мкмб) 3 мкмв) 5 мкмг) 10 мкм
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ВОПРОСЫ385*35. Объемный нагрев металлических
изделий наиболее эффективен с помо¬
щью:а) индуктораб) лазерав) импульсной лампыг) галогенной лампы накаливания36. Для измерения температуры в труд¬
нодоступных полостях пирометры снаб¬
жаются:а) световодомб) телескопической насадкойв) лазерным визиромг) светофильтром37. Для создания реперных точек с вы¬
сокой излучательной способностью на
объектах из металлов, визируемых пи¬
рометром, применяют:а) локальное окисление поверхно¬
стиб) окраску сажевой краскойв) сверление отверстийг) "а", "б" или "в"38. Электронно-оптический преобра¬
зователь с внешним фотоэффектом
имеет длинноволновую границу чувст¬
вительности:а) 0,8 мкмб) 1,0 мкмв) 1,3 мкмг) 10 мкм39. Тепловизионные микроскопы име¬
ют пространственное разрешение на
уровне:а) десятков мкмб) долей ммв) долей смг) менее 1 мкмП -Й УРОВЕНЬ КВАЛИФИКАЦИИ1. Коэффициент излучения серого тела
может изменяться:а) от 0,0 до 1,0б) от 0 до 2в) от 0,5 до 1,0г) все вышеперечисленное2. Сумма коэффициентов пропускания
(т), отражения (р) и поглощения (а)
объектов равна:а) У^=т + р + аб) 2=0*5в)£=10г) 2=1003. Закон Планка характеризует:а) спектральное распределение
мощности излучения нагретого телаб) интегральную мощность излуче¬
ния нагретого телав) мощность излучения в опреде¬
ленном спектральном диапазонег) все вышеперечисленное4. Радиационная температура слабона¬
гретых тел измеряется пирометром,
работающим:а) в монохроматическом спектраль¬
ном диапазонеб) в широком спектральном диапа¬
зонев) в диапазоне видимого излученияг) все вышеперечисленное5. На показания цветового пирометра
коэффициент излучения объекта:а) влияет слабоб) абсолютно не влияетв) влияет периодическиг) влияет случайным образом6. Между коэффициентами диффузного
Rd и направленного RN отражения ма¬
териалов существует соотношение:а) Rd ^ Rnб) Rd < Rnв) Rd - Rnг) Rd > Rn7. Основными оптическими константа¬
ми вещества являются:а) показатель преломления и пока¬
затель поглощения13-607
386РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ВОПРОСЫб) коэффициенты отражения и про¬
пусканияв) коэффициенты излучения и по¬
глощенияг) "б" и "в"8. Ослабление излучения в поглощаю¬
щем материале (закон Бугера-
Ламберта) зависит от его толщины:а) экспоненциальноб) линейнов) квадратическиг) никак не зависит9. Предельная температура спиралей
галогенных ламп накаливания состав¬
ляет:а) 1000 °Сб)3000 °Св)3200 °Сг) 6000 °С10. Спектр излучения газоразрядных
источников света имеет характер:а) линейчатыйб) непрерывныйв) смешанныйг) монохроматический11. При тепловизионном контроле уда¬
ленных объектов влияние атмосферы
может проявляться как:а) возникновение миража (искрив¬
ление световых лучей)б) мерцание изображения (флук¬
туации)в) ослабление ИК излучения из-за
рассеяния и поглощения в атмосфе¬
рег) все вышеперечисленное12. Какие аберрации характерны для
зеркальных оптических систем тепло¬
визоров:а) хроматическая аберрацияб) дисторсия и комав) сферическая аберрацияг) "б" и "в"13. Масштаб изображения М связан с
расстоянием до объекта D и фокусным
расстоянием F приближенным соотноше¬
нием:2)M=DIF6)M = DF
в )M = F/Dг)M = D + F14. На погрешность измерения абсо¬
лютных температур тепловизором вли¬
яют в основном:а) дрейф чувствительности прием¬
ника и видеоусилителяб) светосила объективав) отличие условий градуировки от
условий измеренияг) "а" и "в"15. Основными операциями аналоговой
обработки тепловизионного сигнала
являются:а) усиление сигналов фотоприем¬
никаб) суммирование видеосигналов и
регулируемой постоянной состав¬
ляющей для согласования его ди¬
намического диапазона с возмож¬
ностями кинескопав) разбиение видеосигнала на уров¬
ни постоянной энергии (изотермы)г) все вышеперечисленное16. Как длина волны, соответствующая
максимуму спектра излучения серого
излучателя (закон Вина), зависит от его
температуры:а) линейноб) обратно пропорциональнов) квадратичног) не зависит вообще17. Основными пространственно¬
энергетическими параметрами тепло¬
визоров являются:а) минимальная обнаруживаемая
разность температур на поверхно¬
сти объектаб) поле зренияв) мгновенный угол зренияг) все вышеперечисленное
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ВОПРОСЫ18. Как зависит минимальная обнару¬
живаемая тепловизором разность тем¬
ператур двух зон на поверхности объек¬
та контроля от размера этих зон:а) не зависитб) зависит линейнов) зависит нелинейног) зависит случайным образом19. Как зависит пространственное раз¬
решение тепловизора от разности тем¬
ператур между деталями объекта:а) не зависитб) пространственное разрешение
улучшается с уменьшением разно¬
сти температурв) ухудшаетсяг) зависит случайным образом20. К мешающим факторам при
тепловизионном контроле относят:а) неоднородность излучательной
способности поверхности объектаб) наличие посторонних источников
теплового излученияв) наличие паров и/или газов над
объектом, поглощающих тепловое
излучениег) все вышеперечисленное21. Зависимость спектрального распре¬
деления плотности мощности теплового
излучения серого излучателя от его
температуры описывается законом:а) Стефана-Больцманаб) Планкав) Кирхгофаг) V и "в"22. Модуляционная функция теплови¬
зора описывает:а) зависимость коэффициента мо¬
дуляции сигнала от пространствен¬
ной частоты деталей объектаб) зависимость амплитуды сигнала
от температуры объектав) зависимость амплитуды сигнала
от относительного отверстия (све¬
тосилы объектива тепловизораг) "б" и "в"38723. Применение матричных приемни¬
ков излучения в тепловидении обеспе¬
чивает:а) увеличение времени накопления
сигнала на элементах матрицб) сужение полосы пропускания
усилителя сигналовв) повышение температурной чув¬
ствительностиг) V, "б" и "в”24. Как влияет число элементов
разложения в тепловизионном кадре на
его температурную чувствительность
(при прочих равных условиях)а) никак не влияетб) ухудшаетв) улучшаетг) "а" или "б"25. Современные цифровые тепловизо¬
ры с обработкой изображения обеспе¬
чивают:а) измерение температуры в любой
точке изображенияб) визуализацию профилей темпе¬
ратуры по любому сечению и по¬
строение изотермв) возможность цифровой апосте¬
риорной коррекции резкости изо¬
бражения и его псевдоцветовую
"раскраску”г) все вышеперечисленное26. Для тепловизионного контроля уда¬
ленных и малоразмерных объектов це¬
лесообразно применять:а) широкоугольные объективыб) телеобъективы с узким полем
зренияв) микрообъективыг) "б" и "в”27. Тепловизионные микроскопы могут
обеспечить пространственное разреше¬
ние в пределах:а) не лучше 200 мкмб) долей ммв) около 20 мкмг) менее 1 мкм
388РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ВОПРОСЫ28. Для изготовления линзовых объек¬
тивов тепловизоров применяют
материалы:а) силикатные стекла и кварцб) халькогенидные ИК стеклав) германий и кремнийг) "б" и "в”29. Какие системы развертки изображе¬
ния в сканирующих тепловизорах име¬
ют наиболее высокий коэффициент ис¬
пользования (т.е. отношение полезного
времени развертки к холостому ходу)а) вращающиеся зеркальные бара¬
баны и призмыб) вращающиеся многогранные
призмы, работающие на пропуска¬
ниев) вибрирующие зеркала на торси¬
онных подвескахг) "а" и "б"30. Для увеличения чувствительности
тепловизора с приемником излучения,
работающим в режиме ограничения
фоновым шумом, целесообразно:а) увеличивать диаметр объективаб) уменьшать фокусное расстояние
объективав) использовать просветление опти¬
ческих элементов (линз, зеркал и
т п)г) "а", "б" и "в”31. Одномерная оптическая передаточ¬
ная функция (ОПФ) тепловизора есть
Фурье-образ:а) импульсной реакции (функции
рассеяния линии)б) функции скачка (функции рас¬
сеяния полуплоскости)в) функции рассеяния точкиг) "а” и "б32. Для измерения ОПФ тепловизора
можно применять тест-объекты в виде:а) узкой светящейся линииб) светящейся полуплоскостив) набора мир (регистр переменной
пространственной частоты)г) "а”, "б” или "в"33. В установках локального нагрева
объектов с малогабаритными источни¬
ками излучения (галогенные лампы и
т.п.) наиболее эффективно применять
следующие фокусирующие оптические
системы:а) линзы Френеляб) эллиптические зеркальные отра¬
жателив) сферические зеркалаг) "а" и ”6”34. Для лучистого нагрева больших по¬
верхностей без сканирования применя¬
ют:а) лазерыб) трубчатые галогенные лампы на¬
каливанияв) трубчатые ксеноновые лампыг) "б" и "в"35. При использовании мощных им¬
пульсных источников нагрева умень¬
шение длительности импульса:а) повышает текущий температур¬
ный контраст над дефектом, но вле¬
чет риск перегрева изделияб) улучшает все параметры обна¬
ружения дефектав) ухудшает все параметры обнару¬
жения дефектаг) не влияет на параметры обнару¬
жения дефекта36. Преимуществом нагрева изделий
потоком горячего воздуха является:а) слабая зависимость от коэффици¬
ента излучения изделияб) высокая плотность поглощенной Л
энергиив) кратковременный характер на- -
греваг) "б” и "в”37. Угол расхождения неколлимиро-
ванного излучения газовых лазеров
имеет типовое значение, град:а) 0,1б) 1 ;в) 10 . :г) 90 V
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ВОПРОСЫ38938. Что является основным инфор¬
мационным параметром при ТК:а) только локальная разность тем¬
ператур АТ (перепад температуры)
между дефектной и бездефектной
областьюб) перепад температуры АТ и теку¬
щий температурный контраст АТ /Т
(Т - средняя избыточная темпера¬
тура объекта)в) средняя избыточная температура
объекта Тг) первая производная от темпера¬
турного перепада по времени или
пространству39. При нагреве изделий в области сла¬
ботеплопроводных дефектов имеет ме¬
сто следующее изменение температуры
относительно бездефектной области:а) при одностороннем контроле -
температура не меняетсяб) при одностороннем контроле -
понижениев) при двухстороннем контроле -
повышениег) при двухстороннем контроле -
понижение40. Как характеризуется временной ход
температурного перепада над дефектом
при нагреве изделия:а) монотонное возрастаниеб) монотонное уменьшениев) кривая с максимумомг) гармонические осцилляции41. Существует ли и от чего зависит оп¬
тимальный момент регистрации темпе¬
ратурного перепада над дефектом при
активном ТК:а) существует, зависит от ТФХ объ¬
екта и дефекта, геометрии и глуби¬
ны залегания дефектаб) не существует, не зависит никакв) существует, не зависит от ТФХ
дефекта и изделияг) существует, зависит только от
глубины залегания дефекта42. Преимущества лазерного нагрева
сказываются при:а) локализованном нагреве, если
требуется большая плотность по¬
глощенной энергииб) использовании длины волны, на¬
ходящейся вне диапазона чувстви¬
тельности ИК системы, что приво¬
дит к снижению отраженной за¬
светкив) расфокусировании лазерного
пучка, в результате чего возрастает
поглощенная изделием энергияг) "а” и "в"43. Как влияет поляризация света и его
интенсивность на коэффициент отра¬
жения от поверхности диэлектрика:а) не влияютб) поляризация не влияет, интен¬
сивность влияетв) поляризация влияет, интенсив¬
ность не влияетг) влияют оба фактора44. В качестве реперных марок с из¬
вестными коэффициентами излучения
на поверхность объекта при тепловизи-
онном контроле можно наносить:а) краску на основе жидкого стекла
(с = 0,96)б) липкую ленту из поливинилхло¬
рида (в = 0,92)в) химически полированную алю¬
миниевую фольгу (е = 0,03)г) все вышеперечисленное45. Для регистрации длинноволнового
ИК излучения (диапазон 8-14 мкм) в
сканирующих тепловизорах применяют
детекторы:а) охлаждаемые фотосопротивления
из антимонида индияб) охлаждаемые фоторезисторы на
основе тройных соединений КРТ
(кадмий-ртуть-теллур)в) болометрг) "а" и "б"
390РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ВОПРОСЫ46. Механизм теплопередачи описыва¬
ется законами:а) Фурьеб) Ньютонав) Стефана-Больцманаг) "а", "б" и "в"III -Й УРОВЕНЬ КВАЛИФИКАЦИИ1. В качестве опорных точек в шкале
Цельсия приняты:а) температуры замерзания и кипе¬
ния водыб) температуры кипения воды и за¬
мерзания спиртав) температуры кипения воды и за¬
мерзания ртутиг) температуры замерзания ртути и
кипения воды2. Каково соотношение между темпера¬
турами в шкалах Кельвина (Г, К) и
Цельсия (I, °С):а) Т = t + 273б) Г = /-273в) Г =273//г) Г = 273 - /3. Каково соотношение между
интервалами в один градус шкал
Кельвина (К) и Цельсия ( °С):а) 1 К = 1 °Сб) 1 К= 10 °Св) 1 К = 0,1 °Сг) 1 К = 273°С4. Рабочим телом волоконно-
оптического термометра может быть:а) термолюминофорб) жидкий термохромный кристаллв) двупреломляющий термочувст¬
вительный кристаллг) все вышеперечисленное5. Мгновенный угол зрения тепловизо¬
ров, как правило, ... угла зрения ИК
термометров:а) равенб) большев) или "а", или "б"г) меньше6. Между коэффициентами поглощения
а, излучения 8 и отражения р для не¬
прозрачных материалов существует
зависимость (закон Кирхгофа):а) а = е = 1 - рб) а = 8 = 1 + рв) а = е = 1/рг) а = 8 = р27. Радиационный метод измерения ко¬
эффициента излучения основан:а) на сравнении энергетических
светимостей (ЭС) эталона и объекта
испытаний (ОИ), нагретых до оди¬
наковой температурыб) на сравнении ЭС ОИ с ЭС этало¬
на, нагретого до более высокой
температуры, чем ОИв) на сравнении ЭС ОИ и эталона в
процессе их охлажденияг) "6м и "в"8. Увеличение шероховатости поверх¬
ности объекта контроля изменяет ее
коэффициент излучения следующим
образом:а) увеличиваетб) уменьшаетв) никак не влияетг) все вышеперечисленное9. Яркость поверхностного излучения
идеального (ламбертовского) излучате¬
ля в любом направлении:а) постояннаб) изменяется по косинусоидально¬
му законув) изменяется линейног) изменяется случайным образом10. Для устранения помех от высоко¬
температурных источников (Солнце,
пламена и т.п.) в тепловидении приме¬
няют:а) отсекающие спектральные филь¬
тры с коротковолновой границей 2-
2,5 мкмб) монохроматические ИК фильтрыв) ИК поляризаторыг) модуляцию потока излучения
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ВОПРОСЫ39111. Спектральный коэффициент излу¬
чения АЧТ:а) постоянен для всех длин волнб) монотонно увеличивается с рос¬
том длины волныв) гармонически изменяется (ос¬
циллирует) при изменении длины
волныг) изменяется случайным образом12. Коэффициенты излучения 8 селек¬
тивных излучателей изменяются в
пределах:а)0<е< 1,0б) 0,1 < е < 10в) 0,1 <е< 100г) 0,1 <8 <0,513. Коэффициент излучения металлов с
ростом температуры:а) не изменяетсяб) увеличиваетсяв) уменьшаетсяг) изменяется случайным образом14. Интегральный коэффициент излу¬
чения при увеличении угла наблюдения
(т.е. угла между линией визирования и
нормалью к поверхности объекта):а) не меняетсяб) увеличиваетсяв) уменьшаетсяг) изменяется периодически15. Какие объективы можно применять
в тепловизорах, работающих в длинно¬
волновом окне прозрачности атмосфе¬
ры (8-14 мкм):а) зеркальныеб) выполненные на основе герма¬
ниевых и кремниевых линзв) выполненные из стеклянных или
кварцевых линзг) "а" и "6м16. В каком диапазоне ИК излучения
прозрачны кварцевые световоды, ис¬
пользуемые для тепловизионной эндо¬
скопии:а) 1 - 4 мкмб) 1 - 20 мкмв) 2 - 10 мкмг) 1,5 - 14 мкм17. Типовые значения температурной
чувствительности ..., пространственной
разрешающей способности ... и посто¬
янной времени для пленочных жидкок¬
ристаллических термоиндикаторов со¬
ставляют:а) 0,1 °С, 10 мм1, 1 сб)0,1 °С, 100мм1, Юсв) 1 °С, 1 мм'1, 0,1 сг) 10 °С, 0,1 мм"1, 1 с18. Диапазон длин волн, соответствую¬
щий спектральному диапазону чувст¬
вительности типового пировидикона,
составляета) 1 - 10 мкмб) 2 - 20 мкмв) 3 - 100 мкмг) 1 -50 мкм19. Области длин волн, соответствую¬
щие практически используемым в теп¬
ловидении окнам прозрачности атмо¬
сферы в ИК спектре, находятся в диа¬
пазонах:а) 1 -3 и 5 - 10 мкмб) 3 - 5 и 8 - 14 мкмв) 1 - 10 и 2-20 мкмг) "а" и "в"20. Для повышения чувствительности
фотонные детекторы ИК излучения
обычно охлаждают с помощью:а) жидкого азотаб) термоэлектрических холодиль¬
никовв) холодильников Стирлингаг) "а" или "б", или "в"
392РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ВОПРОСЫ21. Излучатель типа АЧТ нагрет до
температуры 300 К. Чему равна длина
волны, соответствующая максимуму
спектральной плотности излучения?а) 1 мкмб) 10 мкмв) 50 мкмг) 100 мкм22. Полимерная пленка имеет спек¬
тральную полосу поглощения на длине
волны 3,39 мкм. В каком диапазоне
спектра должен работать пирометр для
измерения ее температуры?а) 3,38 - 3,40 мкмб) 2 - 5 мкмв) I - 20 мкмг) 8 - 14 мкм23. Как зависит минимальная обнару¬
живаемая тепловизором разность тем¬
ператур от его динамического диапазо¬
на?а) не зависитб) зависит линейнов) зависит нелинейног) зависит случайным образом24. В каком спектральном диапазоне
лучше производить тепловизионный
контроль удаленных объектов, особенно
в сложных метеоусловиях?а) 2 - 5 мкмб) 8 - 14 мкмв) 1 - 20 мкмг) 0,3 - 100 мкм25. Какие светофильтры применяют
для контроля селективно излучающих
объектов (полимерных пленок и т.п.)?а) соответствующие полосе погло¬
щения материалаб) соответствующие максимуму
спектральной плотности излучения
материала при данной температурев) соответствующие спектральным
областям прозрачности атмосферыг) "а" и "б"26. При малой разности температур
объекта и окружающей среды следует
принимать меры для:а) выравнивания коэффициентов
излучения деталей его поверхностиб) устранения посторонних нагре¬
тых телв) стабилизации чувствительности
приемника излучения тепловизораг) все вышеперечисленное27. Пороговая величина обнаруживае¬
мой тепловизором разности температур
деталей объекта зависит от:а) детектирующей способности
приемника излученияб)светосилы объективав) флуктуаций интенсивности излу¬
чения объекта (тепловым шумом)г) всего вышеперечисленного28. Приемники излучения тепловизоров
охлаждают с целью:а) снизить собственные тепловые
шумы приемникаб) стабилизировать температуру
внутри оптической головкив) уменьшить собственное излуче¬
ние оптических элементовг) "б" и "в"29. Для определения минимальной раз¬
решаемой тепловизором разности тем¬
ператур используют:а) решетки (миры) переменной час¬
тоты с минимальной разностью
температур между мирой и фоно¬
вым излучателемб) решетки переменной частоты с
максимально возможной разностью
температур между мирой и фоно¬
вым излучателемв) щелевую диафрагму переменной
ширины, визируемую на фоне из¬
лучателя с большей (по сравнению
с диафрагмой) температуройг) "б" и мвм
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ВОПРОСЫ39330. Минимальную обнаруживаемую
тепловизором разность температур
обычно определяют с помощью:а) двух излучателей большого угло¬
вого размера с фиксированными
температурами, которые размеща¬
ют в поле зрения тепловизораб) линейного излучателя с извест¬
ным распределением температуры
по его длинев) излучателя большого углового
размера с переменной температу¬
рой, уменьшаемой последовательно
оператором до порогового значения
(исчезновение изображения, отно¬
шение сигнал/шум или др. крите¬
рий)г) "а", "в" или "б"31. В процедуре активного ТК расстоя¬
ние d между областью нагрева и съема
информации о дефекте зависит от теп¬
лопроводности объекта следующим
образом:а) для металлов d —» Об) не зависит вообщев) для диэлектриков d -> Ог) для диэлектриков d = const.32. Тепловой контроль процесса охлаж¬
дения листового стекла, прозрачного в
диапазоне 0,4 - 4 мкм следует прово¬
дить тепловизором с коротковолновой
границей спектральной чувствительно¬
сти:а) 4 мкмб) 10,4 мкмв) 3,4 мкмг) 0,4 мкм33. При активном одностороннем ТК
материалов с дефектами типа воздуш¬
ных полостей в области над дефектами
наблюдается:а) повышение температурыб) понижение температурыв) нет изменения температурыг) изменение температуры носит
осциллирующий характер34. При активном двухстороннем ТК
материалов с дефектами типа воздуш¬
ных полостей в области над дефектами
наблюдается:а) повышение температурыб) понижение температурыв) нет изменения температурыг) изменяется гармонически35. Основными ТФХ объектов являют¬
ся:а) объемная плотностьб) теплоемкость и температуропро¬
водностьв) температуропроводность и теп¬
лопроводностьг) "а" и "в”36. Какой зависимостью связан момент
максимального температурного пере¬
пада над дефектом с глубиной его зале¬
гания при одностороннем ТК:а) никак не связанб) связан приблизительно линейной
зависимостьюв) уменьшается по квадратическому
закону с ростом глубины залегания
дефектаг) уменьшается по гиперболическо¬
му закону с ростом глубины залега¬
ния дефекта37. Время проявления максимального
температурного перепада с ростом теп¬
лопроводности изделия ...а) увеличиваетсяб) уменьшаетсяв) не изменяетсяг) либо "а", либо "б"38. Как влияет увеличение мощности
нагревателя на выявляемость дефектов
при ТК и чем она ограничена:а) не влияет, ничем не ограниченаб) не влияет, ограничена порогом
теплового разрушения объектав) улучшает выявляемость дефек¬
тов, ограничена порогом теплового
разрушения объекта
394РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ВОПРОСЫг) повышает уровень нагрева объек¬
та, улучшает выявляемость дефек¬
тов, ограничена порогом теплового
разрушения объекта39. В основе аналитического решения
задач активного ТК лежит:а) уравнение электромагнитного
поля Максвеллаб) уравнение конвективного тепло¬
обмена Ньютонав) уравнение Стефана-Больцмана
для полной энергии, излученной те¬
ломг) дифференциальное уравнение те¬
плопроводности с учетом условий
непрерывности теплового потока на
границах слоев и между изделием и
дефектами40. При активном ТК изделий с помо¬
щью линейного сканера целесообразно
применять источник нагрева:а) полосовойб) точечныйв) распределенный (площадочный)г) матричный (систему точечных
источников)41. Тепловой контроль вращающихся
шин производят с помощью:а) обычного тепловизораб) тепловизора, работающего в
стробоскопическом режимев)линейного сканераг) пирометра42. Активный ТК двухслойного изде¬
лия, состоящего из материалов с раз¬
личной теплопроводностью (типа ме-
талл-пластик) и дефектами типа непро-
клеев, целесообразно проводить:а) односторонним методом с нагре¬
вом со стороны металлаб) односторонним методом с нагре¬
вом со стороны пластикав) двухсторонним методом с нагре¬
вом со стороны металлаг) двухсторонним методом с нагре¬
вом со стороны пластика43. Для повышения вероятности распо¬
знавания дефектов методом ИК-сигна-
тур можно использовать:а) двухспектральные или мультис-
пектральные термограммыб) пространственно-временную филь¬
трацию тепловизионного сигналав) статистические характеристики
термограммг) все вышеперечисленное44. Для привязки координат тепловых
аномалий к поверхности объекта кон¬
троля применяют:а) метод двухспектральных термо¬
граммб) наложение изображений, полу¬
ченных в видимом и ИК-диапазонев) спектральную фильтрацию излу¬
ченияг) "а", "б" и "в”45. Для определения глубины залегания
дефектов односторонним тепловым ме¬
тодом необходимо:а) повысить мощность источника
нагреваб) применить объемный нагрев объ¬
ектав) использовать метод анализа из¬
менения поверхностного темпера¬
турного перепада во времениг) "а” и "б”46. Для импульсного нагрева массив¬
ных объектов из электропроводящих
материалов (листы металла и т.п.) ра¬
ционально использовать:а) мощный лазерб) индукторв) СВЧ-излучательг) "б" и/или "в"47. В процедурах двухстороннего ТК
оптимальное время наблюдения сигна¬
лов от дефектов зависит от глубины
залегания дефектов:а) слабоб)сильнов)осциллируетг) изменяется случайным образом
Книга 2
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬВВЕДЕНИЕЭлектрический контроль - это вид
неразрушающего контроля (НК), основан¬
ный на регистрации параметров электри¬
ческого поля, взаимодействующего с объ¬
ектом контроля (ОК), или возникающего в
объекте контроля в результате внешнего
воздействия. В качестве первичных ин¬
формативных параметров используются
различные электрические характеристики
ОК, в числу которых относятся: электри¬
ческое сопротивление R; электрическая
проводимость G; электрическая емкость
С; относительная диэлектрическая прони¬
цаемость 6,.; тангенс угла диэлектрических
потерь tg8; электрический потенциал;
электродвижущая сила Е\ электрический
ток / и т.п.Электрические методы НК класси¬
фицируются в зависимости от используе¬
мого первичного информативного пара¬
метра, способа получения первичной ин¬
формации и характера взаимодействия
электрического поля с объектом. Прежде
всего, следует выделить группы электро-
параметрических и генераторных мето¬
дов.Согласно ГОСТ 25315 к электропа-
раметрическим относятся методы, осно¬
ванные на регистрации электрических
характеристик объекта контроля (их еще
называют методами, использующими
внешние источники электрического сиг¬
нала). Наиболее распространенными ме¬
тодами этой группы являются:- метод электрического сопротивле¬
ния (электрорезистивный метод) - метод
электрического неразрушающего контро¬
ля, основанный на регистрации электриче¬
ского сопротивления участка объекта кон¬
троля;- электроемкостный метод — метод
электрического неразрушающего контро¬
ля, основанный на регистрации емкости
участка объекта контроля;- электропотенциалъный метод —
метод электрического неразрушающего
контроля, основанный на регистрации
распределения потенциалов по поверхно¬
сти объекта контроля;- электростатический порошковый
метод - метод электрического неразру¬
шающего контроля, основанный на реги¬
страции электростатических полей рас¬
сеяния с использованием в качестве инди¬
катора наэлектризованного порошка;- электроискровой метод - метод
электрического неразрушающего контро¬
ля, основанный на регистрации возникно¬
вения электрического пробоя и (или) из¬
менений его параметров в окружающей
объект контроля среде или на его участке;- метод контактной разности по¬
тенциалов - метод электрического нераз¬
рушающего контроля, основанный на ре¬
гистрации контактной разности потенциа¬
лов на участках объекта контроля, через
который пропускается электрический ток.К группе генераторных относятся
методы, основанные на регистрации элек¬
трических сигналов, формируемых самим
ОК (их еще называют методами, исполь¬
зующими собственные источники элек¬
трических сигналов). Наиболее распро¬
страненными методами этой группы яв¬
ляются:- термоэлектрический метод - ме¬
тод электрического неразрушающего кон¬
троля, основанный на регистрации вели¬
чины термоэлектродвижущей силы, воз¬
никающей при прямом контакте нагретого
образца известного материала с объектом
контроля;
396ВВЕДЕНИЕ- трибоэлектрический метод - ме¬
тод электрического неразрушающего кон¬
троля, основанный на регистрации вели¬
чины электрических зарядов, возникаю¬
щих в объекте контроля при трении раз¬
нородных материалов;- метод рекомбинационного излуче¬
ния - метод электрического неразрушаю¬
щего контроля, основанный на регистрации
рекомбинационного излучения р-п перехо¬
дов в полупроводниковых изделиях;- метод экзоэлектронной эмиссии -
метод электрического неразрушающего
контроля, основанный на регистрации
экзоэлектронов, эмитированных поверх¬
ностью контролируемого объекта при
приложении к нему внешнего стимули¬
рующего воздействия.Характерной особенностью электри¬
ческих методов НК является то, что зна¬
чения используемых информативных па¬
раметров определяются совместным влия¬
нием целого ряда факторов, характери¬
зующих как ОК и условия его эксплуата¬
ции, так и внешние воздействия и техни¬
ческие характеристики средств контроля.
К числу указанных факторов относятся,
например: конструктивное исполнение и
геометрические размеры ОК; вид, химиче¬
ский состав, структура, технологические
условия изготовления и физические свой¬
ства используемых материалов; темпера¬
тура ОК; наличие различных по природе
дефектов в материалах (неоднородность
структуры, трещины, раковины и др.);
тепловые и механические воздействия на
ОК; воздействия электромагнитных полей;
и т.п.Указанное обстоятельство свидетель¬
ствует об универсальности электрических
методов и возможности решения с их по¬
мощью различных задач НК, как частных,
заключающихся в выделении информации
об отдельных характеристиках ОК, так и
задач комплексного контроля, диагности¬
рования и прогнозирования состояния ОК
в целом.В то же время, косвенный характер
оценки контролируемых параметров ОК,
многофакторность влияния, как правило,низкие уровни анализируемых сигналов
соизмеримые с уровнем помех, сущест¬
венно усложняют практическую реализа¬
цию электрических методов НК при ре¬
шении конкретных задач и предполагают
в каждом случае разработку специальных
методов выделения полезной информации
об ОК, отстройки от влияния неконтроли¬
руемых в данном случае параметров и
помех.В этой связи электрические методы
НК, обладающие по сравнению с другими
методами рядом неоспоримых преиму¬
ществ, давно известные и успешно приме¬
няемые в ряде отраслей экономики, разви¬
вались не столь интенсивно, как, напри¬
мер, радиационные, акустические, вибра¬
ционные, вихретоковые, и незаслуженно
слабо освещались в справочной литерату¬
ре. Существенное развитие электрические
методы получили за последние десятиле¬
тия, что обусловлено потребностями в
решении соответствующих задач НК и
высоким уровнем развития электронной и
микропроцессорной измерительной тех¬
ники.Электрические методы НК в настоя¬
щее время успешно применяются при ре¬
шении задач дефектоскопии, толщиномет¬
рии, структуроскопии, термометрии объ¬
ектов, анализа состава вещества. Контро¬
лю подвергаются как электропроводящие,
так и диэлектрические материалы в твер¬
дом, жидком и газообразном агрегатном
состоянии. В качестве областей наиболее
эффективного использования электриче¬
ских методов можно выделить обнаруже¬
ние расслоений в прокатном листовом
металле, дефектов в отливках, некачест¬
венных спаев, дефектных швов, расслое¬
ний в биметаллических пластинах, трещин
в металлических изделиях, растрескива¬
ний эмалевых покрытий, трещин в элек¬
трических изоляторах, сортировка или
идентификация металлических изделий,
измерение толщин пленок, проверка хи¬
мического состава и определение степени
термообработки металлических деталей,
контроль и диагностика трибосопряжений,
контроль влажности материалов, кон¬
ВВЕДЕНИЕ397центрации и состава растворов и газов и
т.ДХарактеризуя различные электриче¬
ские методы НК, следует отметить, что
каждый из них обладает определенными
преимуществами и недостатками, имеет
специфику применения, особенности
практической реализации и области эф¬
фективного использования. Рассмотрению
этих вопросов и посвящена настоящая
книга.Первые четыре главы книги посвя¬
щены рассмотрению общих вопросов тео¬
рии, разработки и применения электриче¬
ского НК. Представлены основные поня¬
тия в области электричества, электриче¬
ских величин и параметров, являющихся
первичными информативными парамет¬
рами или используемых при описании
физических и теоретических основ мето¬
дов, технических основ средств электри¬
ческого НК (глава 1); рассмотрены основ¬
ные виды и свойства электротехнических
материалов (глава 2). Одним из основных
вопросов реализации НК является выбор
метода измерения или преобразования
первичного информативного параметра -
параметра электрического сигнала (для
генераторных методов) или электрической
цепи (для электропараметрических мето¬
дов) В книге (глава 3) представлены дан¬
ные по основным методам и средствам
измерения электрических величин: тока,
напряжения, ЭДС, сопротивления, емко¬
сти, индуктивности и т.п., при этом осо¬
бое внимание уделено высокоточным ме¬
тодам сравнения с мерой: мостовому, ре¬
зонансному, компенсационному, осцилло-
графическому. При создании средств НК
решается проблема электрического взаи¬
модействия между ОК и средством кон¬
троля (СК), между отдельными конструк¬
тивными элементами СК. Комплекс во¬
просов реализации электрического кон¬
такта, прежде всего с подвижными эле¬
ментами, рассмотрен в четвертой главе
книги.Последующие главы посвящены рас¬
смотрению различных методов электриче¬
ского НК, по каждому из которых излага¬
ется: назначение и область наиболее эф¬
фективного применения; принцип контро¬
ля (физическое или химическое явление,
заложенное в основу получения необхо¬
димой информации о техническом состоя¬
нии ОК) с кратким теоретическим анали¬
зом; сущность и разновидности метода с
необходимыми для его реализации спра¬
вочными данными; особенности техниче¬
ской реализации с примерами конкретных
средств НК.Наряду с методами, эффективно
применяемыми в промышленности, опи¬
саны методы, разработанные недавно и
проходящие в настоящее время промыш¬
ленное апробирование, а также методы,
находящиеся в стадии разработки и опре¬
деления областей их эффективного ис¬
пользования. В частности, глава 11 по¬
священа интенсивно развивающимся в
настоящее время электрофлюктуацион-
ным методам НК, а в главе 6 рассмотрены
электрические методы трибометрии и не¬
разрушающего контроля трибосопряже¬
ний, деталей и узлов машин и механизмов
Особенность последнего направления раз¬
вития электрических методов НК заклю¬
чается в том, что решаются задачи более
высокого уровня сложности, когда ОК
является не отдельная заготовка или де¬
таль, а работающий узел, включающий
несколько деталей, взаимодействующих
друг и другом при сложных относитель¬
ных перемещениях.Книга написана на основе обобщения
отечественных и зарубежных публикаций
преимущественно последнего времени,
включая научные и справочные издания,
патентную литературу и материалы науч¬
но-технических конференций и симпо¬
зиумов. Предназначена для разработчиков
и пользователей методов и средств элек¬
трического неразрушающего контроля,
полезна преподавателям, научным работ¬
никам, аспирантам и студентам.
Глава 1
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО1.1. ЭЛЕКТРОСТАТИКА.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯЭлементарный электрический за¬
ряд - свойство электрона или протона,
характеризующее их взаимосвязь с собст¬
венным электрическим полем и их взаи¬
модействие с внешним электрическим
полем, определяемое для электрона и про¬
тона числовыми значениями, равными по
размеру, но противоположными по знаку
Условно "отрицательный знак" приписы¬
вается заряду электрона, а "положитель¬
ный знак" - заряду протонаНоситель заряда - частица, содер¬
жащая один или несколько элементарных
электрических зарядов Носителем заряда
является, например, электрон, протон,
термин относится условно также к дырке в
полупроводникеЭлектрический заряд тела (систе¬
мы тел) - скалярная величина, равная ал¬
гебраической сумме элементарных элек¬
трических зарядов в теле (системе тел)
Электростатическое поле - элек¬
трическое поле неподвижных заряженных
тел при отсутствии в них электрических
токовСтационарное электрическое поле -
электрическое поле неизменяющихся
электрических токов при условии непод¬
вижности проводников с токамиИндуцированное электрическое по¬
ле - электрическое поле, возбуждаемое
изменением во времени магнитного поля
Стороннее поле - поле стороннихсилСторонняя сила - сила, действую¬
щая на заряженную частицу, обусловлен¬
ная неэлектромагнитными, при макроско¬
пическом рассмотрении, процессами К
таким процессам следует относить, на¬
пример, тепловые процессы, химическиереакции, воздействия механических сил,
контактные явления и т пЭлектрический диполь - совокуп¬
ность двух равных по размеру разноимен¬
ных точечных зарядов, находящихся на
некотором расстоянии друг от друга Ос¬
новной характеристикой электрического
диполя является электрический момент.Электрическая поляризация - со¬
стояние вещества, характеризуемое тем,
что электрический момент данного объема
этого вещества имеет значение, отличное
от нуляДиэлектрик - вещество, основным
электрическим свойством которого явля¬
ется способность поляризоваться в элек¬
трическом полеДиэлектрические свойства - сово¬
купность свойств диэлектрика, связанных
с явлением поляризацииПолярный диэлектрик - диэлектрик,
содержащий электрические диполи, спо¬
собные к переориентации во внешнем
электрическом полеНеполярный диэлектрик - диэлек¬
трик, не содержащий электрические дипо¬
ли, способные к переориентации во внеш¬
нем электрическом полеЭлектронная поляризация - элек¬
трическая поляризация, обусловленная
упругим смещением и деформацией элек¬
тронных оболочек относительно ядер в
диэлектрикеИонная поляризация - электриче¬
ская поляризация, обусловленная упругим
смещением разноименно заряженных ио¬
нов относительно положения равновесия в
диэлектрикеДипольная поляризация - электри¬
ческая поляризация, обусловленная пре¬
имущественной ориентацией электриче¬
ских моментов диполей в одном направ¬
СИСТЕМЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ЕДИНИЦ, ИХ РАЗМЕРНОСТИ399лении в диэлектрикеСпонтанная поляризация - элек¬
трическая поляризация, возникающая в
диэлектрике самопроизвольно, без внеш¬
них воздействийДоменная поляризация - электриче¬
ская поляризация, возникающая в диэлек¬
трике под воздействием механических
напряженийПробой - явление образования в ди¬
электрике проводящего канала под
действием электрического поляСегнетоэлектрик - диэлектрик, об¬
ладающий спонтанной поляризацией, на¬
правление которой может быть изменено
внешним воздействиемИонный сегнетоэлектрик - сегнето¬
электрик, спонтанная поляризация которо¬
го является следствием смещения ионов
кристаллической решетки из положений
равновесия, в которых дипольный момент
равен нулюДипольный сегнетоэлектрик (сег -
нетоэлектрик типа порядок - беспоря¬
док)- сегнетоэлектрик, спонтанная поля¬
ризация которого является следствием
упорядочения в ориентации элекгриче-
ских диполейАнтисегнетоэлектрик - диэлек¬
трик, самопроизвольно переходящий при
определенной температуре в такое состоя¬
ние с упорядоченным распределением
диполей, что спонтанная поляризован¬
ное! ь остается равной нулю Различают
ионные, дипольные и несобственные ан-
тисег нетоэлектрикиСегнетоэлектрическая точка Кюри -
температура сегнетоэлектрического фазо¬
вого переходаДиэлектрический гистерезис - не¬
однозначная зависимость поляризованно-
сти диэлетрика от напряженности внешне¬
го электрического поля при его периоди¬
ческом измененииСегнетоэлектрический домен (до¬
мен) - область в сегнето- или антисегнето-
электрике, имеющая пространственно од¬
нородное упорядочение дипольных мо¬ментов элемент арных кристаллических
ячеекКоэрцитивная сила сегнетоэлек-
трика - необходимая для переориентации
диэлектрических доменов напряженность
электрического или магнитного поля либо
механическое напряжениеПьезоэлектрик - диэлектрик, обла¬
дающий пьезоэлектрическим эффектом
Пьезоэлектрический эффект - яв¬
ление поляризации диэлектрика под воз¬
действием механических напряжений
(прямой пьезоэффект) или явление де¬
формации диэлетрика под воздействием
электрического поля, линейно зависящей
от напряженности этого поля (обратный
пьезоэффект)Пироэлектрик - диэлектрик, обла¬
дающий пироэлектрическим эффектом
Пироэлектрический эффект - яв¬
ление возникновения электрических заря¬
дов на поверхности диэлектрика при из¬
менении его температурыЭлектрет - диэлектрик, длительно
создающий в окружающем пространстве
электростатическое поле за счет предва¬
рительной электризации или поляризации1.2. СИСТЕМЫ ФИЗИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН И ЕДИНИЦ, ИХ
РАЗМЕРНОСТИСистема физических величин (сис¬
тема величин) - совокупность взаимосвя¬
занных физических величин, образованная
в соответствии с принятыми принципами,
когда одни величины принимаются за не¬
зависимые, а другие являются функциями
независимых величин Система физиче¬
ской величины состоит из основных физи¬
ческих величин и производных физиче¬
ских величинОсновная физическая величина -
физическая величина, условно принятая в
качестве не зависящей от других величин
системы В качестве основных величин
выбирают величины, характеризующие
коренные свойства материального мира
длина, масса, время Остальные величины
400Глава 1. ЭЛЕКТРИЧЕСТВООпроизводные) выбраны так, чтобы каждая
из них представляла один из разделов фи¬
зики. Такими величинами стали сила то-
ка, термодинамическая температура,
количество вещества, сила света.Каждой основной физической вели¬
чине, из системы величин, присваивается
символ в виде строчной буквы латинского
или греческого алфавита. Символы эти
следующие: длина - Z, масса - М, вре¬
мя- Г, сила электрического тока - /,
температура - 0, количество вещества -
iV, сила света-/.Система величин, на которой строит¬
ся Международная система величин (СИ)
и которая имеет семь основных величин,
называется "система величин LMTI0NJ"
Размерность физической величины
выражается в форме степенного одночле¬
на, составленного из произведений симво¬
лов основных физических величин в раз¬
личных степенях и отражающее связь
данной физической величины с физиче¬
скими величинами, принятыми за основ¬
ные и с коэффициентом пропорциональ¬
ности, равным единице.Размерность величины обычно обо¬
значают знаком dim.Система единиц физических вели¬
чин - это совокупность основных и произ¬
водных единиц физических величин, об¬
разованная в соответствии с принятыми
принципами для заданной системы физи¬
ческих величин.Обычно обозначают единицу физи¬
ческой величины символом самой величи¬
ны, заключенным в квадратные скобки: [ ]
Международная система единиц (со¬
кращенно СИ) построена на основе систе¬
мы величин LMTI0NJ Основными еди¬
ницами СИ являются*единица длины (/) - метр (м);
единица массы (т) - килограмм (кг),
единица времени (/) - секунда (с);
единица силы тока (/, i) - ампер (А);
единица термодинамической темпе¬
ратуры (0) - кельвин (К),единица силы света - кандела (кд),единица количества вещества - моль
(моль)1.3. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ
ВЕЛИЧИНЫЕдиница силы электрического тока
/- ампер (А) - сила неизменяющегося
тока, который при прохождении по двум
параллельным проводникам бесконечной
длины и ничтожно малого кругового сече¬
ния, расположенным на расстоянии 1 м
один от другого в вакууме, создал бы ме¬
жду этими проводниками силу, равную
2*10“7 Н на каждый метр длины.Количество электричества (элек¬
трический заряд) Q - величина, равная
интегралу силы электрического тока по
времени:Q=\imВ случае постоянного тока эта фор¬
мула принимает виде=/д/.Размерность и единица количества
электричества:dune = 77, [0] = 1 А 1 с == 1 А с (ампер-секунда)Этой единице присвоено наименова¬
ние - Кулон (Кл).Кулон равен количеству электричест¬
ва, проходящему через поперечное сече¬
ние при неизменной силе тока 1 А за вре¬
мя 1 с.Рекомендуемые кратные и дольные
единицы количества электричества: кКл,^
мкКл, нКл, пКл В некоторых случая^
применяется единица количества электри¬
чества-ампер-час (А ч), 1А ч = 3,6 кКл.Пространственная плотноспй
электрического заряда (плотность заряда)
рq - величина, равная отношению заряда
dQ к объему dV, в котором распределен
этот заряд:
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ401В случае равномерного распределе-
лия заряда эта формула примет видРо=уРазмерность и единица пространст¬
венной плотности электрического зарядаdim рq = L~3 77, [ре] = 1 Кл/1 м3 = 1 Кл/м3.Кулон на кубический метр равен
пространственной плотности электриче¬
ского заряда, при которой в объеме 1 м3
равномерно распределен заряд 1 Кл.Рекомендуемые кратные и дольные
единицы пространственной плотности
электрического заряда. Кл/мм3, МКл/м3,
Кл/см3, кКл/м3, мКл/м3, мкКл/м3.Поверхностная плотность элект¬
рического заряда ое - величина, равная от¬
ношению dQ находящегося на элементе
поверхности, к площади dS этого элемента.ае =dQdSРазмерность и единица поверхност¬
ной плотности заряда:dim gq = L'2 TI, [ae] = 1 Кл/м2.Кулон на квадратный метр равен
поверхностной плотности электрического
заряда, при которой заряд, равномерно
распределенный по поверхности площа¬
дью 1 м2, равен 1 КлРекомендуемые кратные и дольные
единицы поверхностной плотности заряда:
МКл/м2, Кл/мм2, Кл/см2, кКл/м2, мКл/м2,
мкКл/м2.Линейная плотность электриче¬
ского заряда тq - величина, равная отно¬
шению электрического заряда dQ, нахо¬
дящегося на элементе линии, к длине dl
этого элемента:XZQ~ dl-Размерность и единица линейной
плотности заряда.dim тq = Vх Г/, [тQ] = 1 Кл/мКулон на метр равен линейной
плотности заряда, при которой заряд
равномерно распределенный по нити
длиной 1 м, равен 1 Кл.Удельным зарядом частицы <2УД -
носителя заряда (электрона, протона и
др.) называется величина, равная отноше¬
нию заряда Q к массе тQу тРазмерность и единица удельного за¬
ряда:dim Qyjy=М]1 77, [gyJ = 1 Кл/кг.Напряженность электрического
поля Е3 - векторная величина, равная от¬
ношению силы dF электрического поля,
действующей на точечный пробный элек¬
трический заряд dQ, к этому заряду- dFЕэ~Щ'Размерность и единица напряженно¬
сти электрического поляdim Еэ =1МТ 2 = LMT~3rl,3 П[£э] = 1 Н/КлНьютон на кулон равен напряжен¬
ности электрического поля в точке поля, в
которой на точечный электрический заряд
1 Кл поле действует с силой 1 Н. На прак¬
тике напряженность поля выражается не в
ньютонах на кулон, а в вольтах на метр
(1 В/м). Вольт на метр равен ньютону на
кулон.Вольт на метр равен напряженно¬
сти однородного электрического поля,
создаваемого разностью потенциалов 1 В
между точками, находящимися на рас¬
стоянии 1 м на линии напряженности
поляРекомендуемые кратные и дольные
единицы напряженности электрического
поля МВ/м, кВ/м, В/мм, В/см, мВ/м,
мкВ/м
402Глава 1. ЭЛЕКТРИЧЕСТВОПотоком напряженности с1ФЕ
электрического поля через элемент по¬
верхности называют величину, равную
произведению проекции напряженности
поля Еэ на вектор нормали п к элементу
поверхности (Еж,) на площадь dS этого
элемента:dQ>E = EmdS.Поток через поверхностьФ£ =lEmdS,где S - площадь поверхности, через кото¬
рую определяется поток напряженности.Если в однородном поле перпендику¬
лярно линиям напряженности расположе¬
на плоская поверхность площадью S, то
поток напряженности через нееФя = Еэп S.Размерность и единица потока на¬
пряженности электрического поля:dim Ф£ = L3 МГг Г\ [Ф] = 1 В • м.Вольт-метр равен потоку напря¬
женности через поверхность площадью
1 м2, перпендикулярную силовым линиям
поля напряженностью 1 В • м.Поток электрического смещения *Р
через замкнутую поверхность в соответ¬
ствии с теоремой Остроградского-Гаусса -
есть величина, равная алгебраической
сумме зарядов, находящихся внутри этой
поверхности:/=1Эта теорема показывает, что источ¬
ником потока электрического смещения
являются электрические заряды и что по¬
ток смещения, создаваемый зарядом, чис¬
ленно равен самому заряду.Размерность и единица потока элек¬
трического смещения:dim'F = dimg = 77, [*Р] = [Q] = 1 Кл.Кулон равен потоку электрического
смещения, связанному с суммарным
свободным зарядом 1 Кл.Рекомендуемые кратные и дольные
единицы потока электрического смеще
ния: МКл, кКл, мКл.Электрическое смещение - £) Векторная величина, равная отношению потока электрического смещения с№ через элементарную поверхность к площади dSэтой поверхности:— (f¥ -
D = —kB,
dS вгде kB - единичный вектор, сонаправлен-
ный с электрическим смещением D.Размерность и единица электрическо¬
го смещения:dimD = L'2TL[£>] =[У] 1 Кл
[S] " 1 м2= 1Кл/м2.Кулон на квадратный метр равен
электрическому смещению, при котором
поток электрического смещения сквозь
поперечное сечение площадью 1 м2 равен
1 Кл.Рекомендуемые кратные и дольные
единицы электрического смещения:
Кл/см2, кКл/см2, мКл/м2, мкКл/м2.Электрический момент электриче¬
ского диполя рэ - векторная величина,
равная произведению положительного
заряда диполя на его плечо /, т.е. на век¬
тор, направленный от отрицательного за¬
ряда к положительному и равный расстоя¬
нию между зарядами:Рэ=Ш|/.Размерность и единица электрическо¬
го момента электрического диполя:dimp3 = 7,77, [рэ] = 1 Кл • м.Кулон-метр равен электрическому
моменту диполя, заряды которого, равные
каждый 1 Кл, расположены на расстоянии
1 м один от другого.Диэлектрик, помещенный в электри¬
ческое поле, поляризуется. При этом лю¬
бой элемент диэлектрика приобретает
электрический момент. Количественной
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ403характеристикой степени поляризации
эЛектрика в данной точке является по-
ляризованность. Поляризованность (Рэ) -
векторная величина, равная отношению
суммы электрических моментов молекул,
заключенных в физически малом элементе
диэлектрика, содержащем данную точку, к
объему этого элемента:р,=_ AVAVгде Рэ/ " электрическии момент i-и моле¬
кулы.Размерность и единица поляризован-
ности:„ dim p., LTIdim Р= ^- = -— = L 2Т1,’ dim Г I)= ,Кл/мг.э [V] 1м3Кулон на квадратный метр равен
поляризованности диэлектрика, при кото¬
рой диэлектрик объемом 1 м3 имеет элек¬
трический момент 1 Кл • м.Рекомендуемые кратные и дольные
единицы поляризованности: Кл/см2,
кКл/м2, кмКл/м2, мкКл/м2.Абсолютная диэлектрическая про-
ницаемость £а< величина, характеризую¬
щая свойства диэлектрика, скалярная для
изотропного вещества, равная отношению
модуля электрического смещения к моду¬
лю напряженности электрического поля, и
тензорная для анизотропного вещества:=-DРазмерность и единица абсолютной
диэлектрической проницаемости:dime, =dimZ)ГгТ1LMT~2rlte,] =dim£.= Г3М_1Г4/2,[£>] 1Кл/м2 1Кл 1[£э] 1В/м 1В м= 1 Ф/м.Фарад на метр равен абсолютной
диэлектрической проницаемости среды, в
которой напряженность электрического
поля 1 В/м создает электрическое смеще¬
ние 1 Кл/м2.Рекомендуемые дольные единицы
абсолютной диэлектрической проницае¬
мости: мкФ/м, нФ/м, пФ/м.Электрическая постоянная £0 - фи¬
зическая постоянная, входящая в уравне¬
ния электрического поля при записи этих
уравнений в рационализованной форме, в
соответствии с которой образованы элек¬
трические и магнитные единицы в Меж¬
дународной системе единиц.Значение, единица и размерность
электрической постоянной определяются
из соотношения, 2\-1 Ю7
ео-= (Цос ) =-—7ф/м =4лс= 8,854187817-10"12 Ф/м,где jiq - магнитная постоянная.В отличие от абсолютной диэлектри¬
ческой проницаемости еа зависящей от
типа вещества, температуры, давления и
других параметров, электрическая посто¬
янная 80 зависит только от выбора системы
единиц. В системе СГС е0 = 1.Размерность электрической постоян¬
ной:dime0 =Ь~ЪМ~ХТА12.Рекомендуемые дольные единицы
электрической постоянной: мкФ/м, нФ/м,
пФ/м.Относительная диэлектрическая
проницаемость гг - величина, равная от¬
ношению абсолютной диэлектрической
проницаемости* к электрической постоян¬
ной:♦Понятие абсолютной диэлектрической про¬
ницаемости используется обычно в электротехниче¬
ской литературе. В физической, учебной и научной
литературе, как правило, пользуется сочетанием ег £о,
где ег - относительная диэлектрическая проницае¬
мость, е0- электрическая постоянная.
404Глава 1. ЭЛЕКТРИЧЕСТВОТак как абсолютная диэлектрическая
проницаемость и электрическая постоян¬
ная имеют одинаковые размерность и
единицу, то относительная диэлектриче¬
ская проницаемость - величина безраз¬
мерная и выражается в безразмерных
единицах.Абсолютная диэлектрическая вос¬
приимчивость Хя ~ величина, характери¬
зующая свойства диэлектрика, скалярная
для изотропного вещества, равная отно¬
шению модуля поляризованности Р3 к
модулю напряженности Е3 электрического
поля и тензорная для анизотропного веще¬
ства:= Р3/ Е3.Размерность и единица абсолютной
диэлектрической восприимчивости:dim Ха =Г3М-'Г4/2,[Ха ] = — = = 1 Кл/(В • м) = 1 ф/м.а [£э] 1В/мОтносительная диэлектрическая
восприимчивость Хг ~ величина, равная
отношению абсолютной диэлектрической
восприимчивости к электрической посто¬
янной:уhrЧИз этого равенства получим:dimen1ГЪМ~]Т412= 1.[во1 Ф/мспособны приобретать электрический мо¬
мент. В слабых полях этот момент про¬
порционален напряженности электриче¬
ского поля Е3 и в СИ выражается форму¬
лойРэ =аа е(Д,где аа - коэффициент, называемый поля¬
ризуемостью атома (иона, молекулы).
Отсюда получимРэе0ЕэРазмерность и единица поляризуемо¬сти:dimoL =TI17ъМ-'Т*12МГ~гГ'Следовательно, относительная ди¬
электрическая восприимчивость - величи¬
на безразмерная и выражается в безраз¬
мерных единицах/г п 1 Кл-м з[а„] = = 1 м .a 1 Ф/м-1 Н/КлВ физике твердых и жидких диэлек-
триков поляризуемостью называют также
величину, равную отношению поляризо¬
ванности диэлектрика к произведению
напряженности электрического поля Еэ и
концентрации числа частиц ик, т.е. аа =
= Р3/(Е3пк).Электрический потенциал <р в не¬
которой точке поля по своему физическо¬
му смыслу есть величина, равная отноше¬
нию потенциальной энергии Wn точечного
пробного электрического заряда Q, поме¬
щенного в данную точку поля, к этому
заряду:Ф = W„/Q.Размерность и единица электрическо-
потенциала:dim9=^=^:=L^-vdim Q TIгоАтомы, ионы и молекулы под воз¬
действием внешнего электрического поля*Отметим, что размерность абсолютной ди¬
электрической восприимчивости совпадает с размер¬
ностью абсолютной диэлектрической проницаемо¬
сти.[ф] = Ш = 1^1 = 1 Дж/Кл.[Q] 1КлОднако единица потенциала при по¬
строении Международной системы еди¬
ниц получена другим способом и названа
Вольт (В).
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ405Электрическая емкость С уединен¬
ного проводника - величина, равная от¬
ношению заряда AQ, внесенного на про¬
водник, к приращению потенциала Дер
этого проводникас = ^-.АфПонятие электрической емкости от¬
носится также к системе проводников, в
частности двух проводников, разделенных
тонким слоем диэлектрика, - электриче¬
скому конденсатору. Электрическая ем¬
кость конденсатора (взаимная емкость его
обкладок)Ф1 -Ф2 ’где Q - заряд одной из обкладок (заряды
обкладок по размеру равны); (ф! - ср2) -
разность потенциалов между обкладками.Размерность и единица электриче¬
ской емкости:dimC = U2 М~ХТА I2, [С] = 1 Кл/В.Эта единица получила наименование
Фарад (Ф).Фарад равен емкости конденсатора,
напряжение между обкладками которого
1 В при заряде 1 Кл.Рекомендуемые дольные единицы
емкости: мФ, мкФ, нФ, пФ.1.4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯПолный электрический ток - явле¬
ние направленного движения носителей
зарядов и (или) явление изменения элек¬
трического поля во времени, сопровож¬
даемые магнитным полем.Постоянный электрический ток -
электрический ток, не изменяющийся с
течением времени ни по силе, ни по
направлению. Постоянный ток возникает
под действием постоянного напряжения и
может существовать лишь в замкнутой
Цепи; во всех сечениях неразветвленнойцепи сила постоянного тока одинакова
(или слабо изменяется).Периодический электрический ток -
электрический ток, мгновенные значения
которого повторяются через равные ин¬
тервалы времени.Переменный электрический ток в
широком смысле - электрический ток,
изменяющийся во времени. Переменный
ток создается переменным напряжением.
В технике обычно под переменным током
понимают периодический ток, в котором
среднее за период значение силы тока и
напряжения равны нулю.Периодом (7) переменного тока на¬
зывается наименьший интервал времени,
через который значения силы тока и на¬
пряжения повторяютсяПульсирующий электрический ток
проводимости - явление направленного
движения свободных носителей заряда в
веществе или в вакууме.Электрический ток переноса -
электрический ток, осуществляемый пере¬
носом телами электрических зарядов. Для
этого тока иногда используется менее
удачный термин - синоним ’’конвекцион¬
ный ток”.Электрический ток поляризации -явление движения связанных заряженных
частиц в диэлектрике при изменении его
поляризованности.Электрический ток смещения в ва¬
кууме - явление изменения электрическо¬
го поля в вакууме.Электрический ток смещения - со¬
вокупность, электрического тока смеще¬
ния в вакууме и электрического тока по¬
ляризации.Элементарный электрический ток -
электрический ток в замкнутом элемен¬
тарном контуре, размеры которого весьма
малы по сравнению с расстояниями до
точек наблюдения.Вихревые токи - электрические токи
в проводящем теле, вызванные электро¬
магнитной индукцией, замыкающиеся по
контурам, образующие односвязную об¬
ласть.
406Глава 1. ЭЛЕКТРИЧЕСТВОЭлектропроводность - свойство ве¬
щества проводить под действием не изме¬
няющегося во времени электрического
поля не изменяющийся во времени элек¬
трический ток.Проводник - вещество, основным
электрическим свойством которого явля¬
ется электропроводность.Проводник первого рода - проводник
с электронной электропроводностью.Проводник второго рода - провод¬
ник с ионной электропроводностью.Полупроводник - вещество, основ¬
ным свойством которого является сильная
зависимость удельной проводимости от
воздействия внешних факторов. К внеш¬
ним факторам в данном случае следует
отнести температуру, электрическое поле,
свет и т.д.Сверхпроводимость - явление, за¬
ключающееся в том, что электрическое
сопротивление некоторых материалов ис¬
чезает при температуре ниже некоторого
критического значения, зависящего от
материала и от магнитной индукции.Сверхпроводник - вещество, основ¬
ным свойством которого является способ¬
ность при определенных условиях быть в
состоянии сверхпроводимости.1.5. ВЕЛИЧИНЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОКСила электрического тока (сила то¬
ка, ток) I - основная электрическая вели¬
чина Международной системы единиц. По
своему физическому смыслу сила тока -
скалярная характеристика тока, равная
отношению количества электричества dQ,
переносимого через сечение проводника
за интервал времени dt, к этому интерва¬
лу:dQ
dt ’Размерность и единица силы тока,
как и других основных величин СИ, вы¬
браны произвольно:dim /= 1, [7] =1 А./=-Электрическое напряжение (На
пряжение) U между двумя точками элек¬
трической цепи равно работе электриче¬
ского поля по перемещению единичного
положительного заряда из одной точки в
другую.Напряжение U связано с силой тока I
и мощностью Р постоянного электриче¬
ского тока соотношениями: Р = Д/; и ~
= РП.Размерность и единица напряжения:dim U =dimP L2MT~3dim /= L2MT~3I~X[U} =[P] 1 Вт
[/] " 1 A= 1 B.Этой единице присвоено наименова¬
ние Вольт (В).Вольт равен электрическому напря¬
жению, вызывающему в электрической
цепи постоянный электрический ток силой
1 А при мощности 1 Вт.Рекомендуемые кратные и дольные
единицы электрического напряжения: МВ,
кВ, мВ, мкВ, нВ.Вернемся к определению единицы
напряженности поля. В потенциальном
электрическом поле (электростатическом
поле) работа по перемещению электриче¬
ского заряда не зависит от пути, по кото¬
рому перемещается заряд. В этом случае
электрическое напряжение U между двумя
точками совпадает с разностью потенциа¬
лов в этих точках:U= ф1 - ф2-Из этого равенства следует, что раз¬
ность потенциалов, а следовательно, и
потенциал имеют ту же размерность и
выражаются в тех же единицах, что и на¬
пряжение:dim ф = /,2МГ~3Г', [ср] = 1 В.Зная единицу потенциала, можно
объяснить происхождение единицы на¬
пряженности электрического тока - вольт
на метр и дать следующее определение
электрического потенциала: электриче¬
ВЕЛИЧИНЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК407ский потенциал ср для электростатических
полей - скалярная величина, градиент ко¬
торой с противоположным знаком равен
напряженности поля:Еэ = -grad ф.В случае однородного электрическо¬
го поля эта формула для модуля напря¬
женности поля примет вид:Z7 _Ф1"Ф2где ф] и ф2 - потенциалы двух точек поля,
лежащих на одной силовой линии; d -
расстояние между этими двумя точками.Из этой формулы получим единицу
напряженности электрического поля -
вольт на метр (В/м).Электродвижущая сила Е источ¬
ника тока - величина, равная отношению
энергии W, подаваемой источником, к
электрическому заряду, проходящему че¬
рез источник:еЛ..QРазделив числитель и знаменатель
правой части этой формулы на время /,
получимE_W/t _ Р
~ Q/t~ /'Таким образом, электродвижущая
сила источника имеет те же размерность и
единицу, что и напряжение:dim Е = 1?МТ~3Г\1 Вт[if] = -—- = 1 Вт/А = 1 В.L J 1АРекомендуемые кратные и дольные
единицы электродвижущей силы: МВ, кВ,
мВ, мкВ, нВ.Плотность электрического тока
J- векторная величина, равная пределу
отношения силы тока сквозь некоторый
элемент поверхности, нормальный к на¬
правлению движения носителей заряда, кплощади этого элемента поверхности, ко¬
гда этот элемент поверхности стремиться
к нулю. Модуль плотности токаРазмерность и единица плотности то¬
ка:О 1 Al 'Уdim J = L~2I, [У]=—г = 1А/м2.1мАмпер на квадратный метр равен
плотности электрического тока, при кото¬
рой сила тока, равномерно распределенно¬
го по поперечному сечению проводника
площадью 1 м2, равна 1 А.Рекомендуемые кратные и дольные
единицы плотности электрического тока:
МА/м2, А/мм2, А/см2, кА/м2.Плотность электрического тока имеет
направление, совпадающее с направлени¬
ем движения положительно заряженных
частиц или соответственно противопо¬
ложное направлению движения отрица¬
тельно заряженных частиц.Линейная плотность тока А - век¬
торная величина, равная пределу отноше¬
ния плотности тока, протекающего в тон¬
ком слое у поверхности тела, к толщине h
этого слоя, когда последний стремиться к
нулюdA = J/dh.Размерность и единица линейной
плотности тока:dimA = L-1 /, [А] = 1 А/м.Ампер на метр равен линейной
плотности электрического тока, при кото¬
рой сила тока, равномерно распределенно¬
го по сечению тонкого листового провод¬
ника шириной 1 м, равна 1 А.Рекомендуемые кратные и дольные
единицы линейной плотности тока: кА/м,
А/мм, А/см.Можно дать следующее определение
линейной плотности тока: линейная плот¬
ность тока - это отношение тока к ширине
проводящего слоя.
408Глава 1. ЭЛЕКТРИЧЕСТВОЭлектрическое активное сопро¬
тивление (сопротивление) R - величина,
равная отношению напряжения U на кон¬
цах проводника к силе тока I в нем:R = U11.Активное сопротивление проводника
зависит от его размеров и формы.Размерность и единица активного со¬
противления:dim R =1}мг~ъгх= Ь2МТ~3Г2,Размерность и единица проводимо¬сти:dimG = — =1- = 1Г2ЛГ'Г3/2’,Размерность и единица удельного со¬
противления:dim£3 LMT^r'
dimp = —; dim J
[Еэ]_ 1В/м[J] 1A/M2Г2/= L3MT~zr2m.[/?] = — = 1 B/A.1 AЭта единица называется ом (Ом).Ом равен сопротивлению проводни¬
ка, между концами которого возникает
напряжение 1В при силе постоянного тока
1 А.Активная электрическая проводи¬
мость (проводимость) участка цепи G -
величина, обратная активному сопротив¬
лению этого участка, т.е. величина, равная
отношению силы тока I в участке цепи к
напряжению U на концах этого участка:G=\/R = I/U.Ом-метр равен удельному электри¬
ческому сопротивлению проводника пло¬
щадью поперечного сечения 1 м2 и длиной
1 м, имеющего сопротивление 1 Ом.Рекомендуемые кратные и дольные
единицы удельного электрического сопро¬
тивления: ГОм м, МОмм, кОм м, Ом-см,
мОм м, мкОм м, нОм м.Удельная электрическая проводи¬
мость у - величина, характеризующая
электропроводность вещества, скалярная
для изотропного вещества, равная отно¬
шению модуля плотности тока проводи¬
мости к модулю напряженности электри¬
ческого поля и тензорная для изотропного
вещества:У~Е3'Размерность и единица удельной
электрической проводимости:R 1?МТ-3Г2г /-л 1 1 1А . Л -1[G] = — = = = 1 Ом .[R] 1В/1А 1ВЭта единица называется Сименс
(См).Сименс равен электрической прово¬
димости проводника сопротивлением
1 Ом.Удельное электрическое сопротив¬
ление р - величина, равная отношению
модуля напряженности электрического
поля к модулю плотности тока, скалярная
для изотропного вещества и тензорная для
анизотропного вещества:р = Еэ/ J.dim у =г2/LMT-3/— = Г3Л/~17’3/2,М =1 А/мг
1 Вм= 1 См/м.Сименс на метр равен удельной
электрической проводимости проводника,
который при площади поперечного сече¬
ния 1 м2 и длине 1 м имеет электрическую
проводимость 1 См.Рекомендуемые кратные единицы
удельной электрической проводимости:
МСм/м, кСм/м.Плотность электрического тока
смещения JCM - векторная величина, рав¬
ная производной электрического смеще¬
ния по времени:
ВЕЛИЧИНЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК409dDdtРазмерность и единица плотности
электрического тока смещения:<ШпЛ„ =U2Tl[Лм1 =dimD _
dim t Т1 Кл/м2= L~2I,1 с2= 1 А/м2.Для металлов и сплавов зависимость
удельного сопротивления от температуры
в небольшом интервале температур вбли¬
зи 0 °С выражается формулой:р = ро(1 + а00),где ро - удельное сопротивление при тем¬
пературе 0 = 0 °С.Отсюда получимСледовательно, плотность электриче¬
ского тока смещения имеет ту же размер¬
ность, что и плотность электрического
тока проводимости, и выражается в ампе¬
рах на квадратный метр.Температурный коэффициент элек¬
трического сопротивления а0 - величи¬
на, равная отношению относительного
изменения сопротивления участка элек¬
трической цепи к изменению его темпера¬
туры, вызвавшему это изменение сопро¬
тивления.а0 =(Р~Ро)Ро©Положив в этой формуле 0 = 1 °С,
найдем[ae]=J£=£sL-
[Pol-1'С= ГС-1 =1К-1.Размерность температурного коэф¬
фициента электрического сопротивления:dima0 =К 1.
Глава 2ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫИ ИХ СВОЙСТВА2.1. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬВ изотропном теле (твердом, жидком
или газообразном), когда приложенная к
нему разность потенциалов U создает од¬
нородное электрическое поле Еэ = U/d (d-
расстояние между точками приложения U)
и электрический ток, плотность тока J и
поле Еэ совпадают по направлению. Зави¬
симость ДЕЭ), различная для разных ве¬
ществ и характерная для каждого данного
вещества, называется волып-амперной
характеристикой этого вещества (ВАХ).Величина у = dJIdEэ называется
удельной дифференциальной проводимо¬
стью (или просто электропроводимостью)
вещества. Обратная ей физическая вели¬
чина Му = р называется удельным диффе¬
ренциальным электрическим сопротив¬
лением. Вообще говоря, у зависит от Е3 и
в большинстве случаев dJ!dE3 > 0. В част¬
ном случае, когда ВАХ представляет со¬
бой прямую линию, у не зависит от Еэ.
Тела, обладающие такой вольт-амперной
характеристикой, подчиняются закону
Ома: J = у-Еэ, где у = const (не зависит от
Яэ).Плотность тока J связана с зарядом е
носителей тока и полем Е3 соотношением:J=e Цз пк Е3,где ц3 - подвижность, численно равная
средней скорости дрейфа заряженных час¬
тиц в направлении электрического поля
при Еэ = 1 в/Ом, пк - концентрация носи¬
телей тока.По значению электропроводности все
тела делят на три группы:- проводники (металлы) с у > 1 см/м;- диэлектрики с у < 1 • 10~8 см/м;- полупроводники с 1 • 10~8 см/м <
< у < 1 м • см/м.Такое деление в значительной степе¬
ни условно, так как в зависимости от воз¬
действия внешних факторов многие тела
могут существенно менять свою электро¬
проводность. Например, электропровод¬
ность полупроводников весьма чувстви¬
тельна к действию света, однако на элек¬
тропроводность металлов этот фактор
практически не влияет.Наиболее универсальным фактором,
влияющим на электропроводность всех
тел, является температура. Для полупро¬
водников и диэлектриков это объясняется
изменением с 0 концентрации пк и под¬
вижности |i3 носителей электрических за¬
рядов. В чистых полупроводниках при
тепловом или световом возбуждении элек¬
троны могут переходить из валентной зо¬
ны в зону проводимости, увеличивая тем
самым число электронов, участвующих в
электропроводности. Для такого перехода
необходима энергия не меньше ширины
запрещенной зоны AW. Это так называе¬
мая собственная проводимость.В реальных кристаллах всегда суще¬
ствует определенное количество атомов
примесей, валентные электроны которых
располагаются на отдельных уровнях в
запрещенной зоне. Эти электроны могут
быть переведены в зону проводимости,
причем необходимая для этого энергия
A WT может быть намного меньше A W.Если A W велика, так что собственной
проводимостью в рассматриваемой облас¬
ти температур можно пренебречь, а кон¬
центрация примесей Nr не очень мала, то
электропроводность обусловлена, в ос¬
новном, "примесными" электронами. Под¬
вижность |13 значительно слабее зависит от
0, чем пк. При рассеянии носителей элек¬
трического заряда на акустических (теп-
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ411ловых) колебаниях решетки ц3 - 0~3/2, на
заряженной примеси ~ 0~3/2, а при рас¬
сеянии на нейтральной примеси ji3 не за¬
висит от 0. Поэтому температурная зави¬
симость электроповодности диэлектриков
и полупроводников определяется в основ¬
ном температурной зависимостью концен¬
трации носителей заряда.У металлов, для которых проводящее
состояние является основным (а не возбу¬
жденным, как у диэлектриков и полупро¬
водников), зависимость у(0) объясняется в
основном рассеянием электронов на неод¬
нородностях кристаллической решетки,
вызванных ее тепловыми колебаниями.
Почти для всех металлов при 0 > 0D, где
0р - Дебаевская температура, у ~ 0'1, а
при 0 « 0д имеем у ~ 0'5. При очень низ¬
ких 0 (несколько °К) ряд металлов пере¬
ходит в сверхпроводящее состояние, в
котором у = оо.В соответствии с физической приро¬
дой зарядов, создающих электрический
ток, различают три вида электропроводно¬
сти: электронную; ионную; смешанную.
При третьем виде в электропроводности
принимают участие как электроны, так и
ионы.Достаточным, но не необходимым
критерием электронной электропроводно¬
сти служит наличие эффекта Холла.
Электронная электропроводность может
быть чисто электронной, чисто дырочной
и смешанной, когда в электропроводность
принимают участие как электроны, так и
дырки. В свою очередь ионная проводи¬
мость может быть: катионнощ анионной
и смешанной. Поскольку подвижность
ионов очень мала по сравнению с подвиж¬
ностью электронов, преобладание элек¬
тронной составляющей электропроводно¬
сти над ионной наступает даже тогда, ко¬
гда число электронов, принимающих уча¬
стие в электропроводности, еще очень
мало по сравнению с числом ионов. Воз¬
действуя на вещество термически, элек¬
трическими и магнитными полями, раз¬
личными излучениями, можно увеличитьили уменьшить ту или иную из состав¬
ляющих электропроводность и исследо¬
вать преобладающую составляющую,
пренебрегая другими.Электронной электропроводно¬
стью обладают:1) Металлы, которым свойственны:- независимость у от Е (закон Ома);- отрицательный температурный ко¬
эффициент электропроводности dy/dG;- уменьшение электропроводности
при введении примесей.2) Полупроводники, у которых:- dy/d® > 0 для собственной электро¬
проводности или в случае примесной
электропроводности в той области темпе¬
ратур, когда ионизована незначительная
часть примесных центров;- dy/d® < 0 для примесной электро¬
проводности, если примесные центры
полностью ионизованы;- у возрастает при введении приме¬
сей;- закон Ома соблюдается в не слиш¬
ком сильных электрических полях;- у очень чувствительна к различного
рода облучениям.3) Диэлектрики. Твердые диэлек¬
трики обладают электронной электропро¬
водностью лишь при весьма высоких на¬
пряжениях (вблизи пробоя). Для них ха¬
рактерно очень быстрое возрастание у при
возрастании £, зависимость у при возрас¬
тании Е, зависимость у(0) того же типа,
как у полупроводников. При низких Е за¬
метная электронная электропроводность в
диэлектриках может быть в некоторых
случаях создана под действием освещения
(<фотопроводимость).Ионной электропроводностью об¬
ладают электролиты, для которых харак¬
терно:- соблюдение закона Ома (при учете
обратного электрического поля, вызванно¬
го скоплением объемных зарядов у элек¬
тродов);- обычно положительное значение
dy/dS.
412Глава 2 ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ СВОЙСТВАИонная электропроводность, в отли¬
чие ог электронной, сопровождается пере¬
носом вещества Количественную сторону
процесса переноса отражают законы Фа¬
радеяВсе сказанное выше относится к
лектропроводности в постоянном элек¬
трическом полеВ переменном электрическом поле
тектропроводность - комплексная вели¬
чинаY = g-ib,где Y - д/g2 +Ь2 - кажущаяся, или полнаяэлектропроводность, g - активная элек¬
тропроводность, Ъ - реактивная электро¬
проводностьС увеличением час юты колебаний
электрического поля электропроводности
металлов уменьшается вследствие скин-
эффекта При частотах, когда скин-
эффект не играет существенной роли,
электропроводность имеет практически
такую же величину, как и при постоянном
напряжении В этом случае потерю мощ¬
ности на "Джоулево тепло" в проводнике
под действием переменного напряжения
можно рассчитывать как потерю мощно-
С1и при постоянном напряжении, равном
эффективному значению переменного
напряженияВ диэлектриках, у которых элетрои-
но-дырочная составляющая тока при от¬
носительно малых напряжениях пренеб¬
режимо мала, потеря мощности при пере¬
менном напряжении даже сравнительно
низкой частоты во много раз больше, чем
потеря мощности при постоянном напря¬
жении соответствующей величины2.2. ПРОВОДНИКОВЫЕ
МАТЕРИАЛЫПроводниковые материалы - мате¬
риалы с высокой электропроводностью
Широко применяются для изготовления
токонесущих элементов линий передач
электрической энергии, электрических
цепей приборов и аппаратов, обмотокэлектрических машин, грансформатоп0
катушек индуктивности и т п *Проводниковые материалы, как пра,
вило, обладают высокой пластичностью
антикоррозионной стойкостью, достаток
ной механической прочностью, такие
свойства необходимы при изготовлении из
них проводов, профилированных токоне¬
сущих деталей и т п Проводниковые ма¬
териалы обладают электронной проводи¬
мостью Наиболее электропроводны, цри
обычных температурах, химически чистые
1-валентные металлы При весьма низких
температурах некоторые металлы и спла¬
вы обладают сверхпроводимостью Ста¬
тические искажения кристаллической ре¬
шетки, ее динамические нарушения, а
также процессы, связывающие электроны,
понижают электропроводность провод¬
никовых материалов первое имеет место
при образовании твердых растворов, пла¬
стической деформации, воздействии про¬
никающего ядерного излучения, второе -
при нагреве, третье - при образовании
некоторых растворов и химических со¬
единенийОсновные характеристики проводни¬
ковых материалов представлены в табл 2 1.Серебро - один из лучших провод¬
никовых материалов, оно применяется для
тонких токопроводов измерительных при¬
боров, в высокочастотных схемах, а также
для электродов, вжигаемых в керамику,
стекло, кварц и т дБолее дешевая медь благодаря благопри¬
ятному сочетанию высокой электропро¬
водности, пластичности и коррозионной
стойкости при удовлетворительной проч¬
ности - наиболее распространенный про¬
водниковый материал Для проводов при¬
меняется электролитически рафинирован¬
ная и переплавленная медь марок МО
(99,95 % Си) и Ml (99,9 % Си) в отожжен¬
ном (ММ) и нагартованном (МТ) состоя¬
ниях Электросопротивление твердых (на-
гартованных) проводов несколько выше,
чем мягких (отожженных) (см табл 2 1)
ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ4132.1. Физические свойства некоторых проводниковых материалов
("технической" чистоты)РПлотностьТемпе¬Относи¬Материал(мкОмм)
(при 20°)ae(103-oC')(г/см3)ратура
плавле¬
ния (°С)тельное
удлинение
при разры¬
ве 8,, (%)Серебро0,01564,010,5960,560>1едь:ММ (отожженная)0,01754,18,94108340МТ (твердотянутая)0,01804,119,310632Золото0,0223,82,7 ... 1,7466050Алюминий:AM (отожженный)0,02904,210,2651400,02954,219,126302АТ (твердотянутый)0,04463,98,83400120,04774,57,86145430Магний0,05484,621,4153910Молибден0,07236,57,3177340Вольфрам0,09786,016,623240Никель0,1003,811,3303050Железо0,1144,64,5328340Платина0,1353,913,55166010Олово0,2053,70,9738,8950Тантал0,424,30,854*97,740Свинец0,540,990,86-Титан0,9585,50,747*63,6...12,3-Ртуть0,04880,804*186-Натрий0,215*0,53-Калий0,07124,650Натрий-калиевая эвтектика
77,2 % К0,372*450Литий0,673*48,934Кадмиевая бронза:
отожженная0,355*48,2263040твердотянутая0,01848,97Бериллиевая бронза (2,25 %
Be):0,01853,58,886,5отожженная0,092,7состаренная0,04_ Альдрей0,0317♦При 400 °С.
414Глава 2 ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ СВОЙСТВАВ электровакуумной технике часто
применяется переплавленная в вакууме
так называемая бескислородная медь, от¬
личающаяся повышенной пластичностью
и не ухудшающая вакуум при длительной
работе При температурах выше 100 °С
медь заметно окисляется, а провода МТ
постепенно теряют наклеп (повышенную
прочность) Более прочны и более тепло¬
стойки некоторые сплавы Си, например,
проводниковые бронзы Так, провода из
кадмиевой бронзы БрКд 1 (1 % Cd) пример¬
но в 3 раза прочнее ММ, хорошо сопротив¬
ляются истиранию и могут работать при
температурах до 250 °С Из них готовят
троллейные провода, антенный канатик,
линии полевой телефонии, контакты и т п
Алюминий, хотя и уступает Си по
удельной электропроводности и прочно¬
сти, но вследствие значительно меньшего
удельного веса провод из него при равной
проводимости с медным в два с лишним
раза легче Кроме того, алюминиевые про¬
вода дешевле, поэтому они все более вы¬
тесняют медные В основном применяют¬
ся провода из алюминия марок АВ, АО и
А1 в отожженом (АМ) и нагартованном
(АТ) состояниях Алюминиевые провода
быстро покрываются на воздухе пленкой
окислов, препятствующей надежному ме¬
таллическому контакту Их контакт обес¬
печивается сваркой и пайкой под специ¬
альными флюсами, ультразвуковой пай¬
кой и холодной сваркой - методами, раз¬
рушающими окисную пленкуДля предотвращения быстрого окис¬
ления поверхностей зажимных контактов
с алюминием применяются специальные
меры, например, в контакт вводят пасту из
1 весовой части вазелина и 1 весовой час¬
ти цинкового порошка Алюминиевый
проводниковый сплав альдрей (-0,4 %
Mg, -0,6 % Si, остальное А1) после соот¬
ветствующей термической обработки име¬
ет примерно на 10 % большее удельное
сопротивление, но по прочности прибли¬
жается к твердотянутой медиЖелезо и сталь, несмотря на их по¬
вышенную прочность, в виде проводов
применяются ограниченно, в основном
для передачи небольших мощностей по
стоянного тока В случае переменного
тока за счет поверхностного эффекта и
потерь на гистерезис активное сопротив¬
ление этих проводниковых материалов
может возрасти в 5 6 раз Однако сталь¬
ные конструкции большого сечения ши¬
роко применяются как проводники элек¬
трического тока (рельсы трамваев, желез¬
ных дорог)В ряде случаев для уменьшения рас¬
хода цветных металлов, особенно при пе¬
редаче небольших мощностей переменно¬
го тока, применяют биметаллические
провода Так, наружный слой (40 50 %
сечения) сталь-медного провода состоит
из Си Медь обеспечивает высокую про¬
водимость на переменных токах и
предохраняет сталь от коррозии, сталь в
свою очередь, повышает прочность
провода В специальных случаях,
например, для передачи очень больших
мощностей на небольшие расстояния, в
качестве проводниковых материалов
применяют иногда жидкие металлы -
Na, К и их смеси, Li, Hg и др Применение
проводниковых материалов для
электрических контактов подробно
рассмотрено в отдельной главе2.3. ДИЭЛЕКТРИКИДиэлектрики - термин, введенный
М Фарадеем и употребляемый для обо¬
значения среды, в которой может дли¬
тельно существовать электрическое поле.
В диэлектрике внешнее электростатиче¬
ское поле вызывает поляризацию атомов,
молекул или ионов, совокупность элек¬
трических полей которых является отра¬
женным полем поляризации Это отра¬
женное поле, в отличии от отраженного
поля поляризации проводника, всегда
меньше внешнего Поэтому напряжен¬
ность макроскопического поля в диэлек¬
трике имеет конечное значение Основной
микроскопической характеристикой ди¬
ДИЭЛЕКТРИКИ415электрика является абсолютная (относи¬
тельная) диэлектрическая проницаемость
Диэлектрические свойства вещества тес¬
нейшим образом связаны с его составом и
доением Поэтому изучение диэлектри¬
ческих свойств различных материалов
имеет большое практическое значение в
отношении применения его в электро- и
радиотехнике, а также в неразрушающем
контролеПоляризация атомов, ионов, моле¬
кул в элекфическом поле подразделяется
на несколько типовЭлектронной поляризацией назы¬
вают возникновение дипольных моментов
в результате смещения электронных орбит
относительно положительно заряженных
ядер под воздействием внешнего электри¬
ческого поля (рис 2 1) Электронная по¬
ляризация происходит в атомах или ионах
всех материалов и, таким образом, незави¬
симо от возможного наличия в диэлектри¬
ке других видов поляризации, наблюдает¬
ся во всех диэлектриках и практически не
связана с потерями энергии При скачко¬
образном увеличении напряженности поля
процесс установления поляризации этого
вида имеет колебательный характер с час¬
тотой, определяемой частотой собствен¬
ных колебаний молекул Поэтому часто
электронную поляризацию называют уп¬
ругой или резонансной Время установле¬
ния электронной поляризации порядка
1(Г16 10~|4сВторым видом упругой поляризации
является ионная, характерная для твердых
тел с ионным строением Она обуславли¬
вается смещением упруго связанных ио¬
нов под воздействием электрического по¬
ля на расстояния, меньшие постоянной
кристаллической решетки Время уста¬
новления поляризации зависит от частоты
собственных колебаний иона относитель¬
но положения равновесия и имеет порядок
1<Г14 Ю-,2сВ целом процессы электронной и
ионной поляризации довольно сходны и
могут рассматриваться как разновидности
Деформационной поляризации, представ¬
ляющей собой сдвиг(но не поворот, какРис. 2.1. Электронная поляризация:а - распределение электронов без воздействия
внешнего электрического поля, б - под
воздействием внешнего электрического поля
распределение электронов атома
относительно ядра сдвигаетсяпри дипольной поляризации, см ниже)
зарядов относительно друг другаДипольная (ориентационная) поля¬
ризация имеет место в веществах с моле¬
кулами, обладающими постоянным ди-
пол ьным моментом даже в отсутствие
электрического поля (полярные молекулы)
(рис 2 2) Наложение электрического поля
вызывает частичное ориентирование ди¬
полей, что является причиной поляриза¬
ции Поворот диполей в направление поля
требует преодоления некоторого сопро¬
тивления, поэтому дипольная поляризация
связана с потерями энергии на выделение
тепла Процесс установления поляризации
этого вида имеет апериодический харак¬
тер по времени, и, по аналогии с подоб¬
ными свойствами напряжений и деформа¬
ций в механике, его называют релаксаци¬
ей Время релаксации определяется как
постоянная апериодического процесса, т е
продолжительность изменения поляриза¬
ции в е раз после внезапного увеличенияРис. 2.2. Дипольная поляризация:а - молекула кислорода с нулевым дипольным
моментом, б - молекула воды с постоянным
дипольным моментом р.
416Глава 2 ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ СВОЙСТВАили уменьшения (деполяризации) напря¬
женности электрического поля (здесь е -
основание натурального логарифма) Ди-
польная релаксация свойственна поляр¬
ным газам и жидкостям, а также твердым
органическим материалам Время релак¬
сации дипольной поляризации порядка
Ю"7 . 1(Г13сДипольная поляризация полимер¬
ных материалов имеет некоторые особен¬
ности Ввиду отсутствия достаточно стро¬
гой теории в первом приближении для
описания дипольной поляризации исполь¬
зуются теории полярных жидкостей и
кристаллов При поляризации, обуслов¬
ленной сегментным движением макромо¬
лекулы и имеющей место при температуре
выше температуры стеклования, наблюда¬
ется взаимосвязь движения макромолеку¬
лы с соседними молекулами. Поляризация
этого вида называется дипольно-сегмен-
тальной (a-процесс) При температурах
ниже температуры стеклования, когда
конформация звеньев макромолекулы ока¬
зывается "замороженной”, сегментальной
движение макромолекулы прекращается и
подвижность сохраняют лишь отдельные
группы атомов, локализованные в сравни¬
тельно небольших объемах. Этот вид по¬
ляризации получил название дипольно-
группового (P-процесс) Время релаксации
дипольной поляризации полимерных ма¬
териалов может значительно превышать
время дипольной релаксации других ди¬
электриков и в некоторых случаях дости¬
гать дней и месяцевСтруктурная (макроскопическая,
межслоевая) поляризация является до¬
полнительным механизмом релаксацион¬
ной поляризации, имеющей место в твер¬
дых телах с неоднородной структурой и
при наличии примесей Причинами поля¬
ризации является перемещение электро¬
нов или ионов в пределах отдельных
включений под влиянием электрического
поля Такие включения приобретают ди-
польный момент и ведут себя подобно
гигантской поляризованной молекулеСтруктурная поляризация наблюдается
например, в материалах, абсорбируюцщ^
влагу, и в растительных клетках. Врещ
релаксации структурной поляризации по¬
рядка 1 (Г8 . 103с.Диэлектрики в переменном поле
Если электрическое поле Е э изменяется во
времени, то поляризация диэлектрика не
успевает следовать за вызывающим ее
измененным электрическим полем, так как
смещение зарядов не могут происходитьмгновенно Вследствие этого векторы 1>э иD в данный момент времени t зависят от
значений функций Еэ (t) во все предшест¬
вующие моменты времени.Поскольку любое переменное поле
можно представить в виде совокупности
полей, меняющихся по гармоническому
закону, то достаточно рассмотреть поведе¬
ние диэлектриков в поле Еэ = Е&> ехр(ш).Под действием такого поля величины Рэи D будут колебаться также гармониче¬
ски с той же частотой со Однако между
колебаниями D и Еэ будет существовать
разность фаз, что вызвано отставанием
поляризации Рэ от Еэ Зависимость
D (Ёэ) выражается формулойD = са(со) ЁэДиэлектрическая проницаемостьеа(со) является комплексной величиной
еа(со) = е'а (со) + i г” (со), т е. характеризует¬
ся двумя величинами еа и с" , зависящи¬
ми от со Абсолютная величина
| еа(со)| = ^/са2 + еа2 , определяет амплиту¬
ду колебаний D, а отношение
s"/ca=tg8 определяет разность фаз 8между колебаниями D w Еэ. Величина 5называется углом диэлектрических по¬
терь в связи с тем, что наличие разности
фаз приводит к поглощению энергии элек¬
трического поля в диэлектрике.
ДИЭЛЕКТРИКИ417рис. 2.3. Две характерные зависимости
поляризации Ръ диэлектрика от времени /(постоянное электрическое поле Еъ
включается в момент t = 0):а - релаксационная; б - резонанснаяДисперсия диэлектрической прони¬
цаемости. Зависимость диэлектрической
проницаемости от частоты переменного
поля еа(со) называется частотной или
временной дисперсией диэлектриче¬
ской проницаемости.Из общих соображений можно пока¬
зать, что функция с а (а>) является четной:
£'а(-ю) = с'а (со), а функция £а(ю) - не-
четной: £а(-со) = -s"(co). Характер зави¬
симостей в'а (оэ) и е" (со) отражает процессустановления поляризации во времени.Если изменение P3(t) при включении
поля имеет характер затухающих колебаний
(рис. 2.3, б), то зависимости s' (со) и г” (со)
называют резонансными (рис. 2.4, б). При
ориентационной поляризации P3(t) - экс¬
понента (рис. 2.3, а). В этом случае s'a (-ш)и с" (о>) называются релаксационными(рис. 2.4, а).Пробой диэлектриков. Электриче¬
ский ток в диэлектриках пропорционален
напряженности электрического поля Еэ.
Однако в достаточно сильных полях ток
растет быстрее, чем по закону Ома, и при
некотором критическом поле Еэпр наступа¬
ет электрический пробой диэлектрика.
Величина £эпр называется электриче¬
ской прочностью диэлектрика. При
пробое однородное токовое состояние
становиться неустойчивым и почти весь
ток начинает течь по узкому каналу.
Плотность тока в этом канале достигаетРис. 2.4. Характер дисперсии
диэлектрической проницаемости £а(оо):
а - релаксационный; б - резонансный;
в - зависимость £а(®) твердого диэлектрика от
частоты ш поля Еэбольших значений, что приводит к необ¬
ратимым изменениям в диэлектриках. На
рис. 2.5 приведена зависимость плотности
тока J от Еэ, рассчитанная в предположе¬
нии, что ток однороден по сечению образ¬
ца. Из рис. 2.5 видно, что с ростом J вели¬
чина dEJdJ, называемая дифференциаль¬
ным сопротивлением, может стать отри¬
цательной. Состояние с отрицательным
дифференциальным сопротивлением яв¬
ляется неустойчивым и приводит к обра¬
зованию канала тока при ЕЭ>ЕЭ^.Рис. 2.5. Зависимость плотности тока / от
напряженности Еъ электрического поля
в диэлектрике (пунктир соответствует
области неустойчивых состояний), где
£э пр - напряжение пробоя диэлектрика14-607
418Глава 2 ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ СВОЙСТВА2.2. Электрическая прочность
некоторых материаловМатериалЭлектрическаяпрочность(В/см)Кристалл NaCI1,5 106Кристалл КВгО00оо-Кварц4,76,7 106Слюда10 106Стекло силикатно-ще¬
лочное2 106Резина1,02,15 106Анильно-формальдегид-
ная смола2,42,6 106Метил матакрилат
(плексиглас)1,11,3 106Полистирол1 106Фарфор0,351,6 106Стеатит0,81,6 106Титанаты (Ва, Sr, Са,
Mg, и РЬ)0,20,1 106Для электрического пробоя твердых
диэлектриков характерно слабое увеличе¬
ние электрической прочности с темпера¬
турой, сильная зависимость, измеряемой
электрической прочности от степени од¬
нородности электрического поля, отсутст¬
вие зависимости в однородном электриче¬
ском поле от времени приложения напря¬
жения вплоть до времен порядка 10-7 с В
табл 2 2 даны сведения об электрической
прочности некоторых материаловПоляризация диэлектриков в от
сутствии внешнего электрического по
ля наблюдается у ряда твердых диэлек¬
триков и объясняется особенностями их
структуры В пьезо-электриках поляри¬
зация возникает при определенной дефор¬
мации кристалла, причем имеет место ли¬
нейная связь между Рэ и соответствую¬
щими компонентами тензора напряже¬
ний (или деформаций) кристалла в соот¬
ветствующих направлениях Пьезоэлек¬
трический эффект обратим - при наложе¬
нии электрического поля Еэ в пьезоэлек¬
триках возникают деформации, пропор¬
циональныеУ некоторых диэлектриков поляриза¬
ция (и связанные с ней электрические эф¬
фекты) возникают при изменении темпе¬
ратуры Это является следствием темпера¬
турной зависимости спонтанной (само¬
произвольной) поляризации, которая при
неизменной температуре экранизируется
носителями заряда, и образец становится
электрики нейтральным Вещества, обла¬
дающие зависящей от температуры 0
спонтанной поляризацией, называются
пироэлектриками.Особой разновидностью пироэлек¬
триков являются сегнетоэлектрики При
нагревании они обычно переходят в непи¬
роэлектрическое состояние Спонтанная
поляризация сегнетоэлектриков испыты¬
вает более существенные (чем у других
пироэлектриков) изменения под влиянием
внешнего воздействия (изменения темпе¬
ратуры, механических напряжений, элек¬
трического поля) Поэтому для сегнето¬
электриков характерны большие значения
пироэлектрических и пьезоэлектрических
коэффициентов и диэлектрической про¬
ницаемости Кристалл сегнетоэлектрика
обычно разбит на домены с различными
направлениями температурно-зависимои
части спонтанной поляризацииПиро- и пьезоэффекты возможны
лишь у кристаллов определенных точеч¬
ных групп симметрии кристалла
Глава 3ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН3.1. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И
НАПРЯЖЕНИЯ3.1.1. Электромеханические приборыПри определении параметров элек¬
трического тока измерительный прибор
^амперметр) включается последовательно
^ контролируемую цепь. Если цепь пред¬
ставить как последовательное соединение
источника ЭДС (Е) и сопротивления Яц, то
рключение в нее прибора с входным со¬
противлением Rnp приведет к возникно¬
вению методической погрешности, абсо¬
лютное АI и относительное А/// значения
которой определяются из выражений:Е Е КРЕRn Ra + Д,,,, Дц(Дц + Л„р)А/ _ ^пр
/ Rn + RnpДля снижения методической погреш¬
ности входное сопротивление прибора
должно быть пренебрежимо мало по срав¬
нению с сопротивлением контролируемойцепи (Rnp « Яц). С целью уменьшения
г.Rnp в микроамперметрах и особенно внано- и пикоамперметрах иногда вводят
обратную связь, что, однако, усложняет
конструкцию прибора.В зависимости от вида измеряемого
тока (постоянный, переменный синусои¬
дальный, несинусоидальный или им¬
пульсный) измерители тока имеют раз¬
личное устройство.' Для измерения постоянного тока тра¬
диционно применяют приборы магнито¬
электрической системы. Принцип дей¬
ствия этих приборов основан на взаимо¬
действии проходящего по катушке изме¬
ряемого тока с магнитным полем постоян¬ного магнита измерительного механизма
(ИМ). Используемые магнитные сплавы
позволяют получать магниты с большой
остаточной индукцией, что обеспечивает
высокую чувствительность магнитоэлек¬
трических приборов. Именно поэтому на¬
шли применение милли- и микроампер¬
метры рассматриваемой системы. Про¬
порциональность угла поворота указателя
измеряемому току обеспечивает равно¬
мерность шкалы и - малые погрешности
измерений. Выпускаемые магнитоэлек¬
трические приборы имеют классы точно¬
сти: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 (числа
указывают предел допускаемой приведен¬
ной погрешности).Наряду с указанными преимущества¬
ми приборов этой системы они имеют
один существенный недостаток - чувстви¬
тельность к перегрузкам. В ряде случаев
превышение значения тока в 1,5 ... 2 раза
выше верхнего придела измерения приво¬
дит к отказу прибора.При изменении направления тока,
проходящего по прибору, изменяется на¬
правление отклонения указателя. Прибо¬
ры, предназначенные для работы в элек¬
трических цепях, направление тока в ко¬
торых может изменяться, имеют шкалы с
нулевым значением внутри шкалы.При измерении переменного тока
прибор с магнитоэлектрической системой
реагирует на его постоянную составляю¬
щую. Следует учитывать, что в случае
пульсирующих или импульсных токов с
большой переменной составляющей при¬
бор может выйти из строя из-за перегрева
упругих элементов даже при постоянной
составляющей измеряемого тока, значи¬
тельно меньшей его верхнего предела из¬
мерения.Для измерения действующего (эф¬
фективного, среднеквадратичного) значе-
420Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН*maxРис. 3.1. Схемы амперметра
выпрямительной системы и графики токов:а - с однополупериодным выпрямлением;б - с двухполупериодным выпрямлениемния синусоидального тока частотой
50 Гц выпускаются амперметры электро¬
магнитной системы, в которых сердеч¬
ник при протекании тока по катушке втя¬
гивается в нее и поворачивает указатель.
Основные преимущества приборов этой
системы - простота конструкции, высокая
надежность и способность выдерживать
значительные перегрузки. Недостатком
приборов является их низкая чувствитель¬
ность, поэтому они не выпускаются в виде
миллиамперметров и тем более микроам¬
перметров. Если частота тока отличается
от 50 Гц, то погрешность прибора выходит
за пределы, соответствующие классу его
точности.Для измерения малых токов с часто¬
той, лежащей в диапазоне от 30 Гц до
10 кГц применяют приборы выпрями¬
тельной системы. Эти приборы состоят
из выпрямителя, преобразующего пере¬
менный ток в постоянный, и измеритель¬
ного механизма магнитоэлектрической
системы. Для выпрямления может исполь¬
зоваться однополупериодная или двухпо-
лупериодная схема (рис. 3.1).При реализации однополупериодной
схемы (рис. 3.1, а) ток через ИМ имеет
форму однополярных синусоидальных
импульсов, следующих друг за другом с
интервалом времени 0,5 Г = = 1/2f где f
Т - частота и период измеряемого тока,
соответственно. Такой по форме ток, со¬
держит постоянную составляющую,Градуировка приборов производится
в действующих значениях тока /, поэтомуТ - [max _ 71 т ~ о 99 т0 ’ °‘При двухполупериодной схеме вы¬
прямления (рис. 3.1, б) ток через ИМ име¬
ет форму синусоидальных импульсов, не¬
прерывно следующих друг за другом. В
этом случае:Я г/о *1,1 I/o.И 1 =2у[2Применение приборов выпрямитель¬
ной системы на более высоких частотах
ограничено собственными емкостями
диодов, шунтирующих их активное сопро¬
тивление. Поэтому возникает так назы¬
ваемая частотная погрешность, приводя¬
щая к уменьшению показаний прибора.
Для компенсации этой погрешности в не¬
которых типах приборов применяют спе¬
циальную цепь (шунт), состоящую из со¬
противления Яш и индуктивности Lm
(рис. 3.2). За счет этой цепи вызванное
увеличением частоты измеряемого сигна¬
ла снижение тока, подаваемого на ИМ,
компенсируется увеличением тока, подво¬
димого к выпрямительной схеме. Таким
образом, удается поддержать в более широ¬
ком диапазоне частот пропорциональность
тока в ИМ току, подводимому к прибору.Рис. 3.2. Схема амперметра
с компенсацией частотной погрешности
ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ421Выпрямительные приборы весьма
чувствительны. Вольтметры выпускаются
нижними пределами измерения начиная
0т 0,3 В, а миллиамперметры - от 0,2 мА.
Входное сопротивление выпрямительных
вольтметров обычно порядка 2 кОм/В.
Особенностью выпрямительных вольт¬
метров является уменьшение входного
сопротивления при измерении малых на¬
пряжений вследствие уменьшения коэф¬
фициента выпрямления диодов. Поэтому
выпрямительные вольтметры на малые
напряжения имеют низкое входное сопро¬
тивление, например, в вольтметре с верх¬
ним пределом измерения 0,3 В входное
сопротивление составляет 300 Ом (прибор
потребляет ток 1 мА). Внутреннее сопро¬
тивление выпрямительных миллиампер¬
метров относительно велико, например,
миллиамперметр с верхним пределом из¬
мерения 0,2 мА имеет сопротивление
5000 Ом (на приборе падает напряжение
до 1 В).Выпрямительные приборы как пра¬
вило выполнены в виде комбинированных
многопредельных приборов (тестеров).
Предназначенные для измерения постоян¬
ных и переменных напряжений, токов и
сопротивлений, тестеры широко исполь¬
зуются при испытаниях, наладке и ремон¬
те электронной и измерительной аппара¬
туры. Приборы, предназначенные для из¬
мерения постоянных и переменных токов
и напряжений, а также сопротивлений при
постоянном токе, называются авомемрами.При падении напряжения на диодах
их коэффициенты выпрямления умень¬
шаются, таким образом при малых токах
уменьшается коэффициент выпрямления
выпрямителя и возникает нелинейность
характеристики. Поэтому микроампермет-
ры выпрямительной системы не
выпускаются.Для измерения токов высоких частот
применяются приборы термоэлектриче¬
ской системы. В качестве преобразовате¬
ля энергии переменного тока в энергию
постоянного тока в этих приборах приме¬
няется термопреобразователъ, состоящийРис. 3.3. Схемы термоэлементов
в приборах термоэлектрической
системы:а - термоэлемент с прямым подогревом;б - крестообразный термоэлемент;
в - термоэлемент с косвенным подогревомиз подогревателя П и термопары Т
(рис. 3.3). Тепло, выделяющееся в подог¬
ревателе при прохождении по нему изме¬
ряемого тока, нагревает спай термопары.
В результате через ИМ, включенный меж¬
ду холодными концами термопары, про¬
ходит ток, пропорциональный термоЭДС,
возникающей в термопаре. Величина тер¬
моЭДС определяется разностью темпера¬
тур между горячим и холодными концами
термопары и, следовательно, мощностью,
расходуемой в цепи подогревателя. Мощ¬
ность пропорциональна квадрату силы
тока, поэтому нагрев подогревателя и ток
в ИМ определяются среднеквадратичным
(действующим) значением измеряемого
переменного напряжения.Характеристика шкалы термоэлек¬
трических приборов близка к квадратич¬
ной, поэтому первые 20 ... 25 % шкалы
обычно не используют. Наиболее точные
приборы имеют класс точности 1,0. Ос¬
новные преимущества: возможность
использования в очень широком
диапазоне частот (до сотен и даже тысяч
мегагерц); высокая чувствительность;
независимость показаний от формы тока.
Недостатки: перегорание подогревателя
даже при слабых перегрузках; значительная
дополнительная температурная погрешность
(0,1... 0,2 % на 1 °С).Конструктивно термоэлектрические
приборы выполняются различным обра¬
зом. Термопреобразователь может разме¬
422Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНщаться как внутри корпуса прибора, так и
вне его. Внешний термопреобразователь
удобен, когда ИМ требуется устанавли¬
вать на расстоянии от места измерения.
Основным параметром термопреобразова¬
теля является его чувствительность. Для
увеличения чувствительности в термопре¬
образователе могут устанавливаться не¬
сколько термопар со схемой соединения,
зависящей от соотношения между сопро¬
тивлениями термопар и ИМ.Часто применяются термопреобразо¬
ватели с одной термопарой, называемые
термоэлементами. Наиболее простым
является крестообразный термоэлемент,
в котором в качестве подогревателя ис¬
пользуются крестообразно захватываю¬
щие друг друга провода, образующие тер¬
мопару (рис. 3.3, б). Такие термоэлементы
пригодны для измерения только малых
токов, так как используемые в них прово¬
да, образующие одновременно подогрева¬
тель и термопару, имеют малое сечение.
Основной недостаток: ответвление части
измеряемого тока в цепь термопара - ИМ
(штриховые стрелки на рис. 3.3, б). В на¬
стоящее время термоэлементы такого типа
применяются редко.Другие типы термопреобразователей
имеют специальный подогреватель, в
качестве которого используется отдель¬
ный проводник с площадью сечения, зави¬
сящим от величины измеряемого тока. В
термоэлементе с прямым подогревом
(контактом) к середине подогревателя
приваривается или припаивается спай
термопары (рис. 3.3, а), поэтому ответвле¬
ние тока в цепь термопара - ИМ отсутст¬
вует. При измерении тока высокой часто¬
ты, однако, часть тока ответвляется через
емкость между ИМ и землей. Сечение
проводов термопары очень мало, поэтому
ответвление даже незначительной части
тока в цепь термопары сильно нагревает
ее, что вызывает существенную погреш¬
ность измерений и может привести к пе¬
режогу термопары. Вследствие этого тер¬
моэлементы с прямым подогревом приме¬няются на частотах не выше нескольки
мегагерц. хВ термоэлементе с косвенным (бес
контактным) подогревом между подогре
вателем и термопарой оставляют воздущ
ный промежуток или помещают изолятор
(рис. 3.3, в). В качестве изолятора приме¬
няют тонкий слой окиси металла, напри¬
мер, тантала. При этом незначительно
уменьшается чувствительность и увели¬
чивается инерционность, но существенно
ослабляется электрическая связь между
подогревателем и термопарой (емкость
между ними достигает 0,5 ... 1 пф).При измерении токов в диапазоне
100 ... 500 мА обычно применяют термо¬
элементы, помещенные в вакуумный или
наполненный инертным газом стеклянный
баллон и имеющие меньшие потери тепла.
Такая конструкция обеспечивает более
высокую чувствительность, но ухудшает
динамические характеристики.Измерения постоянных и гармони-
ческих переменных напряжений произ¬
водят приборами тех же систем, что и при
измерении токов.При измерении напряжения на ка¬
ком-либо сопротивлении R, подключен¬
ном к источнику напряжения сопротивле¬
нием /?вн, измерительный прибор (вольт¬
метр) подключается параллельно этому
сопротивлению, оказывая за счет собст¬
венного входного сопротивления Rnр шун¬
тирующее действие. Это вызывает мето¬
дическую погрешность, относительное
значение которойш RR в»и ДвДл + Дпр) +Я*п7Для снижения этой погрешности
входное сопротивление вольтметра долж¬
но быть много больше сопротивления R
(Дпр » R). Для этого последовательно с
сопротивлением ИМ (RHM) включают до¬
бавочное сопротивление Ra. Тогда входное
сопротивление прибора:^пр — ^им Яд '
ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ423Стремление повысить входное со¬
противление приводит к уменьшению тока
и следовательно, необходимости приме¬
шь более чувствительные ИМ. Поэтому
ддя измерения постоянного напряжения
применяют вольтметры магнитоэлектри¬
ческой системы, а для напряжений сину¬
соидальной формы низкой частоты - вы¬
прямительной системы.На высокочувствительных микроам¬
первольтметрах часто указывают два пре¬
дела измерений - по току и напряжению.
Например, 10 мкА, 5мВ. Это значит, что
сопротивление прибора (5 • 10"3)/(10 • 10~6) =
= 500 Ом и он может использоваться какмикроамперметр и как милливольтметр с
таким же входным сопротивлением.3.1.2. Электронные вольтметрыДля измерения напряжений часто
применяют приборы электронной сис¬
темы, включающие электронные усили¬
тели. Возможны два варианта построения
приборов: либо измеряемое напряжение
усиливается, выпрямляется и подается на
ИМ (рис. 3.4, а), либо оно предварительно
выпрямляется, а затем усиливается и по¬
дается на ИМ (рис. 3.4, б). При измерении
напряжений в широком диапазоне частот
трудно обеспечить равномерность ампли¬
тудно-частотной характеристики усилите¬
ля, поэтому более предпочтительным
является второй вариант схемы. При из¬
мерении же малых напряжений снижаетсяUu'1а)■ 21—(им)в)Рис. 3.4. Структурные схемы
электронных вольтметров:а - с усилителем входного сигнала;
б-с выпрямлением входного сигнала;1 - усилитель; 2 - выпрямитель; 3 - ИМРис. 3.5. Простейшая схема
электронного вольтметракоэффициент выпрямления диодов, по¬
этому предпочтительнее первый вариант
схемы.В приборах электронной системы в
качестве выпрямительных элементов час¬
то используют вакуумный диод, т.е. элек¬
тронную лампу (у полупроводниковых
диодов при малых переменных напряже¬
ниях мал коэффициент выпрямления).
Поэтому рассматриваемые вольтметры
часто называют ламповыми.Преимущества электронных вольт¬
метров: высокая чувствительность; ши¬
рокий частотный диапазон; большое
входное сопротивление, достигающее со¬
тен мегаом; возможность измерения раз¬
личных характеристик напряжения (сред¬
него, действующего или максимального
значений). Благодаря этому электронные
вольтметры в настоящее время широко
применяются для измерения как электри¬
ческих, так и преобразованных в них не¬
электрических величин.Наиболее простая схема электронно¬
го вольтметра (рис. 3.5) аналогична схеме,
приведенной на рис. 3.1, а. При подаче на
вход 1-2 измеряемого напряжения ток
через ИМ проходит лишь в ту долю пе¬
риода, когда на анод диода JI подается
положительный потенциал относительно
потенциала его катода. При измерении
переменного напряжения полупериод, в
течение которого ток проходит через ди¬
од, условно называют положительным. В
схеме электронного вольтметра нет обрат¬
ного вентиля, так как электронные лампы
выдерживают очень высокие обратные
напряжения. Такая схема даже без доба¬
вочного сопротивления имеет слишком
424Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНРис. 3.6. Анодная характеристика диодабольшое для амперметра входное сопро¬
тивление, поэтому она используется толь¬
ко для измерения напряжений.На рис. 3.6 изображена анодная ха¬
рактеристика лампового диода (зависи¬
мость анодного тока от анодного напря¬
жения). При малых напряжениях характе¬
ристика нелинейна, а при больших - мо¬
жет быть заменена прямой. В отличие от
характеристики полупроводникового дио¬
да, данная характеристика не проходит
через начало координат, поэтому при за¬
мыкании входных зажимов 1-2 пред¬
ставленной на рис. 3.5 схемы через ИМ
пройдет так называемый начальный анод¬
ный ток ia0. Наличие этого тока является
существенным недостатком схемы, огра¬
ничивающим ее точность. Второй особен¬
ностью лампового диода является почти
полное отсутствие обратного тока.При измерении переменного напря¬
жения щ = £/aMsin Ш с малым амплитуд¬
ным значением £/ам, соответствующим
нелинейному участку анодной характери¬
стики, постоянная составляющая анодного
тока увеличивается на величину /д, назы¬
ваемую отдетектированным током. На
квадратичном участке анодной характери¬
стики отдетектированный ток пропорцио¬
нален квадрату измеряемого напряжения
(квадратичное детектирование в режиме
класса А):1а=0,5а2и2ш,где а2 - коэффициент, характеризующий
нелинейность анодной характеристики
диода.При таком режиме показания магни¬
тоэлектрического ИМ пропорциональны
среднеквадратичному (действующему)
значению измеряемого напряжения при
любой его форме. Независимость показаний
прибора от формы напряжения является
преимуществом квадратичного детектиро¬
вания. Его недостатки: существенное
уменьшение чувствительности при умень¬
шении измеряемого напряжения; нерав¬
номерность шкалы; малое входное сопро¬
тивление.При измерении переменного напря¬
жения большого значения в положитель¬
ный полупериод ток через диод определя¬
ется выражением /а = S иа, а в отрицатель¬
ный /а = О (S - крутизна анодной характе¬
ристики диода). При этом средняя вели¬
чина тока через ИМ77 2/д=- J'Suadt =Оя/2= ±22к|я£/ам sinco/dco/ =SU„Такое детектирование называется
линейным детектированием в режиме
класса 15, а показания прибора пропор¬
циональны среднему значению напряже¬
ния за положительную часть периода.
Указанный режим имеет место при уста¬
новке большого добавочного сопротивле¬
ния, когда ток в цепи лампы в положи¬
тельный полупериод практически пропор¬
ционален напряжению.Если при положительных напряже¬
ниях характеристика имеет квадратичный
характер, а при отрицательных напряже¬
ниях ток через лампу не проходит, то та¬
кое детектирование называется квадра¬
тичным детектированием в
класса В. При этом^ 7727Д =- \a2uldt =Отс / 2-2 ьрежиме_1_2пsin2 (dtdat = а^~2п
ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ425Следовательно, отдетектированный
ток пропорционален квадрату приложен¬
ного к лампе анодного напряжения, а по¬
казания прибора пропорциональны сред¬
неквадратичному значению измеряемого
напряжения за положительную часть пе¬
риода.В схеме, изображенной на рис. 3.5,
входное сопротивление прибора различно
для положительного и отрицательного по-
лупериодов, а при квадратичном детекти¬
ровании оно непрерывно изменяется в
течение всего периода. Средняя величина
этого сопротивления недостаточно велика,
что сильно ограничивает область приме¬
нения рассматриваемой схемы, а измене¬
ние входного сопротивления в течение
периода приводит к искажению формы
измеряемого напряжения.Следует отметить, что форма напря¬
жения на приборе не повторяет форму
измеряемого напряжения. На рис. 3.7 по¬
казаны кривая измеряемого синусоидаль¬
ного напряжения м, кривая тока i через
добавочное сопротивление Ra и лампу, а
также кривая напряжения на ИМ - иим-
Видно, что форма напряжения в положи¬
тельный полупериод сильно искажена, а в
отрицательный - совпадает с формой из¬
меряемого напряжения.Входное сопротивление лампового
вольтметра может быть существенно по¬
вышено путем включения последователь¬
но с лампой конденсатора С (рис. 3.8, а).
При измерении переменного напряжения
конденсатор заряжается до положительно¬
го максимального (пикового) значения
напряжения и в дальнейшем сохраняет
этот заряд (утечкой конденсатора пренеб¬
регаем).Для измерения напряжения на кон¬
денсаторе можно использовать электро¬
статический ИМ, который при измерении
постоянного напряжения не потребляет
тока (утечку через ИМ также не учитыва¬
ем). Таким образом, измерение амплитуды
переменного напряжения сводится к изме¬
рению постоянного напряжения на кон¬
денсаторе С. Рассматриваемый вольтметрииАим\I Иим\f 7 \¥ i \‘•=о A/4.V\ /\ Jи = МимРис. 3.7. Графики напряжений и тока во
входной цепи лампового вольтметрапредставляет собой идеальный пиковый
вольтметр с неограниченно большим
входным сопротивлением. Недостатки:
показания соответствуют наибольшему
значению измеряемого напряжения, после
которого вольтметр не реагирует на
меньшие значения напряжения; использо¬
вание электростатического ИМ сильно
удорожает прибор и ограничивает его
применение.а)б)Рис. 3.8. Схемы электронных пиковых
вольтметров с открытым входом:а- с измерительным механизмом
электростатической системы;
б- с измерительным механизмом
магнитоэлектрической системы
426Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНРис. 3.9. Графики напряжений и тока
в пиковом вольтметреДля исключения этих недостатков
напряжение на конденсаторе измеряют
магнитоэлектрическим ИМ с большим
добавочным сопротивлением (рис. 3.8,б). Выбор значения производят так,
чтобы постоянная времени разряда кон¬
денсатора была значительно больше пе¬
риода измеряемого напряжения. В этом
случае конденсатор С за период измеряе¬
мого напряжения разряжается незначи¬
тельно. Подзаряд конденсатора происхо¬
дит каждый период, поэтому напряжение
на конденсаторе на протяжении всего
времени остается близким к максималь¬
ному значению измеряемого напряжения.
Такие вольтметры называются квазипико-
выми или просто пиковыми вольтмет¬
рами.На рис. 3.9 показаны кривые измене¬
ния измеряемого напряжения и, напряже¬
ния на конденсаторе ис и тока /а, прохо¬
дящего через лампу. Ток ia проходит лишь
в ту долю периода, когда измеряемое на¬
пряжение и больше напряжения на кон¬
денсаторе ис и анодное напряжение wa,являющееся разностью напряжений и и и
положительно. Такой прибор называют
электронным вольтметром с автома¬
тическим смещением. При достаточно
большом сопротивлении Ra доля периода
в течение которой через лампу проходит
ток, очень мала. Такое детектирование
называется детектированием в режиме
класса С.Описанные вольтметры, реагируя на
пиковое значение измеряемого напряже¬
ния, градуируются в действующих значе¬
ниях синусоидального напряжения. По¬
этому при измерении несинусоидальных
напряжений по показаниям вольтметра
можно судить только о пиковом значении
напряжения (показания вольтметра следу¬
ет умножить на 4l ). Данные вольтметры
могут применяться также для измерения
постоянных напряжений. В этом случае
при одной полярности подключения
вольтметра его показания пропорциональ¬
ны измеряемому напряжению, а при дру¬
гой полярности - показания нулевые.При измерении напряжений, содер¬
жащих постоянную (Uq) и переменную
составляющие (рис. 3.10), показания
вольтметра пропорциональны пиковому
значению этого сигнала за ту часть перио¬
да, в течение которого на анод лампы по¬
дается положительный потенциал относи¬
тельно катода. При одной полярности
включения вольтметра его показания оп¬
ределяются пиковым значением напряже¬
ния UnU а при другой полярности - пико¬
вым значением Un2.Рис. 3.10. Графики напряжения,
содержащего постоянную составляющую
ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ427Если напряжение состоит из посто¬
янной Uq и одной синусоидальной состав¬
ляющей, амплитуда которой U]>U0, то их
величины можно определить по результа¬
там ДВУХ измерений пиковых значений
напряжения при различной полярности
включения вольтметра:С/п =с/„, - С/.— п!п2и {J = Уп.+,^п2Если постоянная составляющая
больше амплитуды переменной состав¬
ляющей, то указанный метод непригоден.Рассмотренные вольтметры, реаги¬
рующие не только на переменную состав¬
ляющую напряжения, но и на его посто¬
янную составляющую, называются элек¬
тронными вольтметрами с открытым
входом.Для измерения переменных состав¬
ляющих напряжений наиболее приемле¬
мыми являются вольтметры с закры¬
тым входом, реагирующие только на пе¬
ременные составляющие сигнала. В схеме
такого пикового вольтметра (рис. 3.11)
конденсатор С заряжается через диод J1
так же, как и в схеме с открытым входом.
Разряд конденсатора происходит через
внешнюю цепь, к которой подключены
сопротивление Ra и магнитоэлектрический
ИМ, показания которого пропорциональ¬
ны среднему значению тока разряда кон¬
денсатора. Работа схемы аналогична рабо¬
те вольтметра с открытым входом. Отли¬
чием является более медленный разряд
конденсатора С, поскольку сопротивление
цепи разряда Rv конденсатора в схеме с
закрытым входом несколько больше.При измерении пульсирующего на¬
пряжения вольтметр с закрытым входом
реагирует только на его переменную со¬
ставляющую. При одной полярности
включения вольтметра конденсатор С бы¬
стро заряжается до напряжения t/C0](рис. 3.12) и в ту часть периода, когда ток
через лампу не проходит, разряжается че¬
рез сопротивление Rv, причем постоянная
составляющая этого тока, на которуюРис. 3.11. Схема пикового
вольтметра с закрытым входомреагирует ИМ, пропорциональна разности
среднего значения напряжения на конден¬
саторе UC0] и постоянной составляющейизмеряемого напряжения U0 (пропорцио¬
нальна напряжению UC0] - U0 « £/„,)•При другой полярности сигнала конденса¬
тор С заряжается через сопротивление Rp
и быстро разряжается через лампу в ту
часть периода, когда мгновенное значение
измеряемого напряжения меньше напря¬
жения конденсатор (штриховая линия на
рис. 3.12). Средняя сила тока через ИМ в
этом случае пропорциональна разности
между постоянной составляющей напря¬
жения и напряжения на конденсаторе
и с о2, т.е. U0- UCo2 «I U„2 I.Таким образом, вне зависимости от
полярности включения, вольтметр реаги¬
рует только на переменную составля¬
ющую напряжения. Если форма напряже¬
ния несимметрична, то показания вольт¬
метра при различной полярности включе¬
ния также различны.ис2 Vc^Рис. 3.12. График, поясняющий работу
пикового вольтметра с закрытым входом
428Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНВ схемах квазипиковых электронных
вольтметров при измерении переменного
напряжения средний ток в ИМ пропор¬
ционален не пиковому значению измеряе¬
мого напряжения С/п, а среднему значению
напряжения на конденсаторе Uco(см. рис. 3.9). Поэтому в измерения вно¬
сится дополнительная относительная по¬
грешностьY_Mti
т" N400%.Значение этой погрешности зависит
от формы и частоты измеряемого напря¬
жения. В случае синусоидального напря¬
жения приближенная зависимость для ее
определения имеет вид:у «2202\RVJ%,где R0 - прямое сопротивление лампы по¬
стоянному току.Обычно добавочное сопротивление,
входящее в сопротивление цепи разряда
7?р, в сотни тысяч раз превышает значение
R0, вследствие чего этой погрешностью,
составляющей сотые доли процента,
обычно пренебрегают. В то же время на
очень низких частотах (порядка 10... 20 Гц),
в периоды, когда лампа заперта, напряже¬
ние на конденсаторе сильно понижается, и
в показания вольтметра вносится большая
дополнительная погрешность уf9 значение
которой при условии jf < (10 ... 15) %
определяется по формулеУ/coRp С100%,где частота сигнала со выражена в с' , Rp -
в Ом, а С - в Ф.Для измерения импульсных напря¬
жений также применяют пиковые вольт¬
метры электронной системы. Такие
вольтметры с малыми значениями посто¬
янной времени зарядки конденсатора т3 и
большими значениями постоянной време¬
ни его разряда хр называют импульсмет-рами. Их можно использовать, если
х3 « химп и Хр » х, где химп и х — длитель¬
ность импульса и период подачи импуль¬
сов соответственно.Амплитуда и форма одиночных им¬
пульсов анализируются осциллографиче-
ским методом в режиме ждущей развертки
(см. п. 3.2).3.1.3. Цифровые приборыВ настоящее время широкое приме¬
нение получают цифровые вольтметры и
амперметры. Их основное преимущество -
высокая точность измерения. Функцио¬
нальная схема цифрового прибора приве¬
дена на рис. 3.13. Входной аналоговый
преобразователь (ВАП) предназначен для
преобразования измеряемого напряжения
или тока к виду, удобному для последую¬
щего преобразования. В большинстве ти¬
пов цифровых вольтметров и амперметров
напряжение или ток преобразуется в про¬
межутки времени. Аналого-цифровой
преобразователь (АЦП) предназначен
для дискретизации и кодирования изме¬
ряемой величины. Цифровое отсчетное
устройство (ЦОУ) преобразует кодиро¬
ванную информацию в цифровой сигнал
на экране прибора.Цифровые приборы подразделяются
по числу разрядов числа, которым они
определяют измеряемую величину. Наи¬
более часто используются вольтметры и
амперметры с четырьмя или пятью разря¬
дами. Погрешность измерения характери¬
зуется указанным в паспорте прибора чис¬
лом единиц последнего разряда. При че¬ЦОУРис. 3.13. Структурная схема
цифрового вольтметра:ВАП - входной аналоговый преобразователь;
АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
ЦОУ - цифровое отсчетное устройство
ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ429тЫрехразрядном отсчете и допустимой
погрешности, равной единице последнего
разряда, относительная приведенная по¬
грешность составляет 0,01 %. Такая точ¬
ность измерения обычна для цифровых
приборов.Цифровые приборы характеризуются
широким диапазоном измерения и выпол¬
няются обычно многопредельными. Циф¬
ровой отсчет удобнее и существенно
уменьшает субъективные погрешности
измерения. Приборы обладают высоким
быстродействием.Для измерения цифровыми прибора¬
ми переменных напряжений и токов в них
вводят выпрямители, аналогичные ранее
рассмотренным. Однако для получения
информации, нужной для определения
требуемой характеристики выпрямленного
напряжения, необходим промежуток вре¬
мени, превосходящий период колебаний
измеряемого переменного напряжения в
десятки раз. Этим объясняется сущест¬
вующий недостаток цифровых воль¬
тметров и амперметров для измерения
переменных напряжений и токов - их зна¬
чительная инерционность.3.1.4. Компенсационные приборыКомпенсационный метод измере¬
ния относится к нулевым методам срав¬
нения с мерой. Основная область приме¬
нения - прецизионные измерения ЭДС и
напряжений и, кроме того, при косвенном
методе измерений токов и сопротивлений.
При реализации компенсационного метода
измеряемая величина (ЭДС, напряжение)
компенсируется известным падением на¬
пряжения на образцовом сопротивлении.На рис. 3.14 приведен пример такой
схемы. При измерении ЭДС Ех подвижный
контакт реостата R устанавливается в та¬
кое положение, при котором ток через
микроамперметр РА становится равным
нулю. В этом случае Ех= U и вольтметр
PV показывает значение измеряемой ЭДС.
Особенность данного метода заключается
в том, что в момент измерения энергияпотребляется не от источника ЭДС, а от
внутреннего источника измерительной
схемы £вн, т.е. ток из цепи Ех не потребля¬
ется, поэтому входное сопротивление при¬
бора бесконечно велико, и измеряется
именно Ех. Точность определения Ех рас¬
смотренной схемой, однако, ограничена
классом точности PV.Для повышения точности в качестве
меры сравнения используется нормальный
элемент - гальванический элемент, харак¬
теризующийся весьма стабильным значе¬
нием развиваемой им ЭДС Ен. Так, напри¬
мер, при температуре 20 °С ЭДС насы¬
щенного нормального элемента составляет
1,0185 ... 1,0187 В, т.е. наибольшее допус¬
тимое отклонение значений ЭДС не пре¬
вышает 200 мкВ. ЭДС нормального эле¬
мента мало изменяется во времени, мак¬
симальное изменение ЭДС за год не пре¬
вышает 50 ... 100 мкВ. В этом случае
скользящий контакт на сопротивлении R
заменяется щеткой Щ (рис. 3.15), который
включает ту или иную часть делителя на¬
пряжения. Вначале регулируют проходя¬
щий через резистор Tt ток с помощью
включенного с ним последовательно
вспомогательного переменного резистора
(на рисунке не показан), чтобы при под¬
ключении вместо источника Ех нормаль¬
ного элемента ток в микроамперметре от¬
сутствовал при установке переключателя
П в соответствующее этой регулировке
положение Ен. Затем включают вместо
нормального элемента источник Ех и ус¬
танавливают переключатель в положение,Рис. 3.14. Схема, поясняющая
компенсационный метод измерения
430Глава 3 ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНРис. 3.15. Принципиальная схема потенциометрапри котором ток в микроамперметре снова
отсутствует Отсчет значения Rx сопротив¬
ления R производят по шкале переключа¬
теля Значение Ех при этомЕ - Е —х "Vгде 7?н - сопротивление, соответствующее
положению переключателя при включе¬
нии нормального элемента с ЭДС ЕнПогрешность измерения зависит не
только от погрешности значения Ен, но и
от известных погрешностей сопротивле¬
ний Rx и 7?н Меры сопротивлений изготав-
ляются с высокой точностью, поэтому
погрешность измерения Ек значительно
меньше погрешности при использовании
вольтметровПриборы, реализующие данный ме¬
тод измерения, называются компенсато¬
рами или потенциометрами Они разли¬
чаются конструктивным исполнением
Принципиальная схема потенциометра с
одной из возможных конструкций шунти¬
рующей декады показана на рис 3 15 Ос¬
новная декада (I), состоит из десяти кату¬
шек сопротивлением, например, 1000 Ом
каждая По этой декаде проходит рабочий
ток потенциометра, равный, например,1Р= 0,0001 А Шунтирующая декада (П),
состоящая из девяти катушек такого же
сопротивления (1000 Ом каждая), присое¬
диняется к сдвоенной щетке Щ, переме¬
щаемой по контактам основной декады (I).
Сдвоенная щетка устроена так, что два ее
скользящих контакта, электрически изо¬
лированных друг от друга, замыкают не¬
подвижные контакты всегда одной секции
этой декады Падение напряжения в сек¬
циях шунтирующей декады снимается при
помощи обычной щетки Щ0, перемещае¬
мой по контактам декадыСопротивление, включаемое в рабо¬
чую цепь потенциометра, остается посто¬
янным независимо от положения щеток
основной и шунтирующей декад Так, на¬
пример, в рассматриваемом случае сопро¬
тивление цепи между точками А и В все¬
гда1000 9000Rab = 9 1000 + -■ = 9900 Ом.1000 + 9000При регулировании величины ком¬
пенсирующего напряжения потенциомет¬
ра сопротивление рабочей цепи и рабочий
ток остаются неизменнымиВеличина тока /2, ответвляющегося в
шунтирующую декаду, составляет 0,1 ра-
ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ431тока /о, так какг{ _ 1000
“ гп ~ 9000, или /2 = 0,1/0 ,где П - сопротивление одной шунтируе¬
мой секции, гц - сопротивление всей шун-
хирующей декадыСоответственно токам /2 и /0 относят¬
ся между собой и падения напряжения в
секциях основной и шунтирующей декадAU2 /2гп _ 0,00001 1000 _ 0,01
AU^~ 10г{ ~ 0,0001 1000 ~ 0,1или&U2 = A U0Компенсирующее напряжение, сни¬
маемое с Rk, слагается из падений напря¬
жений в щ секциях основной и п2 секциях
шунтирующей декад, т еUk + ^и ~n\hr\ +n2hr\\ =— Wj АС/q Ч" 2При указанном на рис 3 15 положе¬
нии щеток (без учета декады, показанной
штриховой линией), значение компенси¬
рующего напряженияUk =3&U0 +6AU2 =3 0,0001 1000 ++ 6 0,00001 10000 = 0,36 вРассмотренное компенсационное со¬
противление с одной шунтирующей дека¬
дой позволяет регулировать компенси¬
рующее напряжение Uk в пределах от 0 до
0,99 В ступенями в 0,01 В, не изменяя об¬
щего сопротивления рабочей цепи и рабо¬
чего тока Чем больше шунтирующих де¬
кад, тем выше точность отсчета значения
измеряемой величиныОбычно потенциометры изготовляют
на верхний предел измерения не более2 В В случае измерения больших значе¬
ний прибор включается через специаль¬
ный делитель напряжения При этом ком¬
пенсационный метод теряет свое основное
преимущество - отсутствие потребления то¬
ка от цепи UX9 так как сам делитель напря¬Рис. 3.16. Схема устройства для
измерения переменных напряжений и токов
компенсационным методомжения нуждается в определенной мощно¬
стиПотенциометры постоянного тока
имеют высокие классы точности 0,005,
0,01, 0,02, 0,05, 0,1 и 0,2 Отнесение к
классу точности зависит от ряда факторов
и от допустимых погрешностей Класс
точности определяется по допустимым
максимальным отклонениям показаний в
процентах от номинального предела изме¬
рений и цены деления ступени декады
наименьших значенийПрименяют также компенсаторы пе¬
ременного тока, при этом, однако, про¬
блема компенсации переменных ЭДС и
напряжения образцовым напряжением
более сложна Для полной компенсации
необходимо, чтобы эти величины не толь¬
ко имели одинаковые амплитуды, но и
одинаковые частоты, фазы и не содержали
гармоник, а если последние есть, то они
также должны быть синфазны, а их ам¬
плитуды должны быть пропорциональны
измеряемому и образцовому напряжени¬
ям Трудность выполнения этих условий
резко ограничивает применение компен¬
сационного метода на переменном токеНа высоких частотах компенсацион¬
ный метод применяют в другом виде Из¬
меряемые напряжение или ток подводят
через емкости С к термистору RT, вклю¬
ченному в одно из плеч резисторного мос¬
та (рис 3 16) Дроссели L защищают дру¬
432Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНгие плечи моста от тока высокой частоты,
а конденсаторы С не позволяют постоян¬
ному току моста ответвляться в цепь изме¬
ренного тока или напряжения. Сопротивле¬
ния R во всех трех плечах моста одинаковы
и подобраны равными сопротивлению тер¬
мистора RT при Ux = О (1Х = 0) и прохождении
по термистору заданного тока 1Т\. Этот ток
устанавливается с помощью переменного
резистора Rnp и соответствует балансу
моста:/т! ~ 0,5/Пр],где /пр - ток питания моста (показания
миллиамперметра РА).При включении измеряемого напря¬
жения или тока термистор дополнительно
нагревается, его сопротивление уменьша¬
ется, и мост разбалансируется. Уменьшая
ток /пр, добиваются баланса, при этом по¬
стоянный ток в термистореIj2 ~ 0,5/Г1р2,где /пр2 - ток питания сбалансированного
моста.В обоих случаях мост сбалансирован.
Поэтому, мощности подводимые к термо¬
резистору, одинаковы. Следовательно:= (/т22 + )RT и
/*=0,5д//п2р2-7пР1 ■3.2. ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ
МЕТОД3.2.1. Общие сведенияОбласть применения осциллогра-
фического метода - наблюдение, регист¬
рация и количественная оценка парамет¬
ров электрических сигналов, характери¬
зующих различные объекты, динамиче¬
ские процессы и явления. К числу пара¬
метров, оцениваемых электронными ос¬
циллографами (ЭО), относятся: амплиту¬
ды и мгновенные значения сигнала (на-Рис. 3.17. Схема устройства электронно¬
лучевой трубкипряжения и тока); временные параметры
сигнала (длительность фронта, среза, час¬
тота следования, скважность, задержка);
частота периодического сигнала; сдвиг
фаз между сигналами; мощность (им¬
пульсное, среднее значения); полное со¬
противление и отдельные его составляю¬
щие; амплитудно-частотные и фазоча¬
стотные характеристики четырехпо¬
люсников', коэффициент амплитудной
модуляции; характеристики транзисто¬
ров, диодов, интегральных схем; характе¬
ристики магнитных материалов и др. *Основным элементом ЭО является
электронно-лучевая трубка (ЭЛТ)
(рис. 3.17). Специальная конструкция ка¬
тода (К) ЭЛТ обеспечивает испускание
электронов преимущественно в направле¬
нии экрана (Э). Внутренняя поверхность
экрана люминесцирует при попадании на
нее электронов. Катод помещают в цилин¬
дрический управляющий электрод (УЭ),
предназначенный для предварительного
формирования электронного потока в уз¬
кий электронный луч. Обычно на управ¬
ляющий электрод подают небольшой от¬
рицательный потенциал по отношению к
катоду. Для получения более узкого луча
этот электрод с торца закрывают диском с
отверстием (диафрагмой). Изменяя на¬
пряжение на УЭ, можно регулировать ин¬
тенсивность электронного луча и яркость
светящегося пятна на экране.Рядом с управляющим электродом по
направлению к экрану расположен анод
или система анодов (на рис. 3.17 пред¬
ставлена схема трубки с тремя анодами
Аь А2 и А3). На первый анод подают на¬
пряжение порядка 300 ... 1000 В, а на вто¬
ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД433рой и третий аноды, соединенные обычно
внутри трубки вместе и часто называемые
вторым анодом, - 1 ... 5 кВ. Создающееся
между анодами неоднородное электриче¬
ское поле фокусирует электронный луч в
точке, лежащей на оси трубки на некото¬
ром расстоянии от анодов. При совмеще¬
нии фокуса с поверхностью экрана на нем
формируется резко очерченное светящееся
пятно. Регулировку фокусного расстояния
производят изменением напряжения на
первом аноде. Устройство, состоящее из
катода, УЭ и анодов, называется элек¬
тронным прожектором или электрон¬
ной пушкой.Электронный луч, а следовательно, и
светящееся пятно на экране ЭЛТ можно
отклонить, воздействуя на поток электро¬
нов электрическим или магнитным полем.
В ЭЛТ осциллографов, как правило, ис¬
пользуют электрическое поле, которое
создается напряжением, приложенным к
отклоняющим пластинам (ОП). Под воз¬
действием поперечного электрического
поля луч, проходящий между пластинами,
отклоняется в сторону пластины с боль¬
шим потенциалом. В трубке между анода¬
ми и экраном расположены две пары от¬
клоняющих пластин для смещения светя¬
щегося пятна на экране в двух взаимно¬
перпендикулярных направлениях. Вели¬
чина этого смещения в одном направле¬
нии, выраженная в миллиметрах, при из¬
менении управляющего напряжения на
1 В называется чувствительностью
трубки по данной паре пластин. Чувстви¬
тельность трубки по разным парам пла¬
стин, как правило, неодинакова. Кроме
того, даже для одной пары пластин чувст¬
вительность в разных участках экрана не¬
сколько различна за счет искривления эк¬
рана трубки и искажения электрического
поля у краев отклоняющих пластин. Од¬
нако неравномерностью чувствительности
пренебрегают и считают ее практически
постоянной для всех участков экрана. При
этом величину смещения пятна на экране
при подаче на одну пару отклоняющихРис. 3.18. Смещение светящегося пятна
на экранепластин напряжения U\ определяют по
формулех = h |С/|,где h\ - чувствительность трубки по паре
пластин, на которые подано напряжениеих.Взаимно-перпендикулярное распо¬
ложение пар отклоняющих пластин в ЭЛТ
позволяет получить прямоугольную сис¬
тему координат XY на экране.При подаче напряжений на обе пары
отклоняющих пластин электронный луч
отклоняется так, что пятно на экране сме¬
щается под некоторым углом к осям коор¬
динат, причем проекция смещения на ось
X определяется напряжением Ux на одной
паре отклоняющих пластин (X), а проек¬
ция смещения на ось Y - напряжением UY
на другой паре отклоняющих пластин (У)
(рис. 3.18). В этом случаех = hxUx\ у = hyUV9где hx и hv - чувствительность трубки по
осям X и Y.Общая величина смещенияД = д/х2 + у2' .Чувствительность ЭЛТ возрастает с
уменьшением скорости электронов и, сле¬
довательно, обратно пропорциональна
напряжению на втором аноде трубки. В то
же время, с уменьшением напряжения на
аноде яркость светового пятна на экране
уменьшается. Поэтому трубки в телевизо¬
рах, где важно получить максимальную
яркость, работают при повышенных анод-
434Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНРис. 3.19. Типы разверток:а - линейная; б - круговая; в - спиральнаяных напряжениях, а в ЭО обычного типа -
при пониженных напряжениях, не превы¬
шающих 4 ... 5 кВ. У ЭЛТ, применяемых
в ЭО, при номинальном анодном напряже¬
нии чувствительность равна 0,1 ... 0,3 мм/В,
а при пониженных анодных напряжениях
она достигает 1 ... 1,5 мм/В. Кроме того,
понижение анодного напряжения увели¬
чивает срок службы экрана ЭЛТ.Яркость и цвет свечения экрана оп¬
ределяются материалом люминесцирую-
щего слоя. Наиболее часто применяются
экраны с зеленым свечением, к которому
человеческий глаз более чувствителен.
Иногда используются ЭЛТ с сине¬
фиолетовым свечением, к которому более
чувствительны фотографические материа¬
лы. После прекращения падения электро¬
нов на некоторый участок экрана в тече¬
ние определенного времени можно на¬
блюдать послесвечение этого участка.
Длительность послесвечения определяется
материалом люминесцирующего слоя и
для обычных осциллографических трубок
составляет сотые доли секунды. У специ¬
альных трубок с длительным послесвече¬
нием оно может достигать нескольких
минут и даже часов (используется в запо¬
минающих ЭО).Благодаря способности глаза сохра¬
нять некоторое время впечатление света
после прекращения его воздействия, глаз
видит на экране при большой скорости
перемещения светового пятна не мгновен¬
ные его положения, а светящуюся траек¬
торию. Если на отклоняющие пластины
трубки поданы периодические перемен¬
ные напряжения, то светящееся пятно на
экране совершает периодическое движе¬
ние. При частоте этих напряжений свыше15 ... 20 Гц глаз видит на экране Непод¬
вижную траекторию этого движения.При подаче на одну пару отклоняю¬
щих пластин переменного напряжения с
частотой выше 15 ... 20 Гц на экране вид¬
на светящаяся прямая линия. Крайние
точки этой линии соответствуют макси¬
мальным значениям напряжения в поло¬
жительный и отрицательный полуперио-
ды. Чтобы судить по изображению на эк¬
ране о форме исследуемого напряжения
необходимо подать на вторую пару откло¬
няющих пластин переменное напряжение,
форма которого известна. В этом случае
пятно, перемещаясь по экрану, вычерчи¬
вает светящуюся линию, характер которой
определяется формой и величиной напря¬
жений, приложенных к обеим парам пла¬
стин.Напряжение известной формы, при¬
ложенное к отклоняющим пластинам и
называемое напряжением развертки,
служит для получения на экране линии,
вдоль которой развертывается исследуе¬
мое напряжение. При подаче напряжения
развертки на одну пару отклоняющих пла¬
стин на экране видна прямая светящаяся
линия (рис. 3.19, а). Такая развертка назы¬
вается линейной. В зависимости от формы
напряжения линейные развертки разделя¬
ются на синусоидальные, пилообразные и
др. (под термином "линейная развертка"
обычно подразумевают линейную пило¬
образную развертку).При линейной развертке исследуемое
напряжение обычно подводится к верти¬
кально отклоняющим пластинам, а напря¬
жение развертки - к горизонтально откло¬
няющим пластинам.Иногда для развертки используют не¬
сколько напряжений, которые подают на
обе пары отклоняющих пластин. В этом
случае линия развертки более сложна и
зависит от формы и величины напряжений
развертки. В зависимости от формы линии
развертки последние делятся на круговые
(рис. 3.19, б), спиральные (рис. 3.19, в) и т.д.Для получения на экране ЭО непод¬
вижного изображения исследуемого сиг¬
нала необходимо, чтобы светящееся пятно
ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД435непрерывно описывало на экране одну и
ту же траекторию. Для этого отношение
частот исследуемого напряжения и напря¬
жения развертки должно выражаться отно¬
шением небольших целых чисел (т : п).
Тогда через каждые т колебаний иссле¬
дуемого напряжения или (что то же самое)
через п колебаний напряжения развертки
процесс перемещения светящегося пятна
по экрану повторяется и на экране наблю¬
дается неподвижная светящаяся фигура,
называемая фигурой Лиссажу.Основной недостаток синусоидаль¬
ной развертки - невозможность непосред¬
ственного наблюдения на экране формы
кривой исследуемого напряжения. Ее при¬
ходится находить трудоемким графиче¬
ским методом.Для получения графика исследуемого
напряжения в прямоугольной системе ко¬
ординат непосредственно на экране ЭО
необходимо, чтобы светящееся пятно пе¬
ремещалось вдоль горизонтальной оси
экрана с постоянной скоростью. При этом
светящееся пятно, пройдя от одного край¬
него положения до другого, должно мгно¬
венно возвратиться в исходное положение
(обратный ход светящегося пятна) и снова
начать свое движение. Соответственно
этому движению напряжение развертки
должно возрастать пропорционально вре¬
мени до некоторого максимального значе¬
ния, затем мгновенно уменьшаться и
вновь возрастать по тому же закону. Такое
напряжение называется пилообразным.Пилообразное напряжение со строго
линейным законом нарастания и мгновен¬
ным уменьшением напряжения является
идеальным (рис 3.20, а).. В действитель¬
ности генераторы пилообразного напря¬
жения обеспечивают напряжение несколь¬
ко иной формы: уменьшение напряжения
происходит не мгновенно, а в течение не¬
которого времени, при этом нарастание
напряжения происходит не по линейному
закону (рис. 3.20, б). У некоторых генера¬
торов происходит медленное уменьшение
и быстрое нарастание напряжения раз¬
вертки. В этом случае обратному ходуРис. 3.20. График пилообразного
напряжения развертки:а - идеального; б - реальноголуча (светящегося пятна) соответствует
увеличение напряжения.При использовании пилообразного
напряжения развертки большая часть кри¬
вой исследуемого напряжения воспроиз¬
водится без искажений .во время медлен¬
ного почти линейного изменения напря¬
жения развертки (участок Ьс на рис. 3.20,б). Часть кривой, приходящуюся на время
обратного хода луча, т.е. на время быстро¬
го изменения напряжения развертки (уча¬
сток cd), наблюдать нельзя, а часть кри¬
вой, приходящаяся на начальный участок
развертки (участок аЪ), сильно искажена
из-за значительной нелинейности этого
участка пилообразного напряжения
развертки.Чтобы получить на экране полностью
один период исследуемого напряжения в
неискаженном виде, период пилообразно¬
го напряжения должен быть в 2 ... 3 раза
больше периода исследуемого напряжения
(рис. 3.21).Линия АВ соответствует времени бы¬
строго изменения напряжения разверткии, следовательно, возврату светящегосяРис. 3.21. Кривая синусоидального
напряжения на экране осциллографа
436Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНYIГY -усилительВнешняясинхро-о«газацияВнутреняя I^ Ох сети —
011 1 ■ —J ВнешняяX1Lшх -усилительВыпря¬мительа' аО/>ьсс£З-П].JJL, ЛГашение
обратного
хода лучаd\Ч7'IIГенераторпилооб¬разнойразверткиПРис. 3.22. Структурная схема осциллографапятна в начальное положение (обратному
ходу луча). Эта линия значительно бледнее
всей кривой, так как светящееся пятно
проходит по ней с существенно большей
скоростью. При увеличении частоты раз¬
вертки время обратного хода луча изменя¬
ется незначительно и, следовательно, воз¬
растают занимаемая им часть периода раз¬
вертки и яркость линии обратного хода
пятна. Чтобы след возврата пятна не ме¬
шал наблюдению исследуемого напряже¬
ния, во время обратного хода пятна на
управляющий электрод трубки подается
отрицательное напряжение, запирающее
луч.Получить точно требуемое соотно¬
шение частот генератора развертки и ис¬
следуемого напряжения практически не¬
возможно вследствие низкой точности
генератора развертки и изменения частоты
(ухода частоты) исследуемого напряже¬
ния. В результате изображение исследуе¬
мого напряжения перемещается по экрану,
что мешает наблюдению. В целях устра¬
нения этого недостатка генератор пилооб¬
разного напряжения синхронизируют с
исследуемым напряжением, для чего ис¬
следуемое напряжение или специальные
импульсы подают на генератор развертки.
В случаях, когда колебания исследуемогонапряжения связаны с колебаниями на¬
пряжения сети, в качестве напряжения для
синхронизации используют напряжение
сети.Для отклонения луча в пределах все¬
го экрана требуется высокое напряжение.
Напряжение же исследуемого сигнала, как
и развертывающее, может быть мало, по¬
этому в каналах вертикального и горизон¬
тального отклонения электронного луча
предусмотрены усилительные тракты.
Усилитель, обеспечивающий вертикаль¬
ное отклонение светового пятна на экране
ЭЛТ, должен обладать большим входным
сопротивлением и малой входной емко¬
стью (обеспечивает минимальное влияние
подключения ЭО на электрический режим
исследуемой цепи); высоким и регулируе¬
мым коэффициентом усиления; широкой
полосой пропускания.Чувствительностью ЭО называют
отношение амплитуды колебаний светя¬
щегося пятна на экране трубки к амплиту¬
де (иногда к действующему значению)
исследуемого синусоидального перемен¬
ного напряжения при максимальном ко¬
эффициенте усиления усилителя ЭО.На рис. 3.22 приведена структурная
схема осциллографа. Исследуемое напря¬
жение подают на вход усилителя верти¬
ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД437кального отклонения (У-усилителя), а с его
выхода подается на отклоняющие пласти¬
ны трубки. Если исследуемое напряжение
велико или его частота находится за пре¬
делами рабочего диапазона частот усили¬
теля, то такое напряжение подают непо¬
средственно на отклоняющие пластины
трубки, убрав перемычки аа' и ЪЬ' и под¬
ключив провода, подводящие исследуемое
напряжение, к гнездам а и Ъ.Если при наблюдении исследуемого
напряжения используется пилообразное
напряжение развертки от генератора ос¬
циллографа, то переключатель П ставится
в положение I. При этом напряжение от
генератора развертки подается на откло¬
няющие пластины трубки и на устройство,
периодически запирающее (гасящее) луч
на время, отведенное для обратного хода
луча. Вид синхронизации генератора раз¬
вертки устанавливается переключателем
синхронизации. Если переключатель уста¬
новлен в положение "Внутренняя", то
исследуемое (ослабленное) напряжение
подается на усилитель горизонтального
отклонения (Х-усилитель) и с него на ге¬
нератор развертки для его синхронизации.
При установке переключателя синхрони¬
зации в положение "От сети" на вход
J-усилителя подается переменное напря¬
жение из цепи накала ламп ЭО и генера¬
тор развертки синхронизируется с часто¬
той сети. Если переключатель развертки
установлен в положение "Внешняя", то
синхронизирующее напряжение подается
от внешнего источника на зажим "Внеш¬
няя синхронизация", усиливается Х-уси-
лителем и затем подается на генератор
развертки.При использовании в качестве на¬
пряжения развертки напряжения от внеш¬
него источника провода, подводящие это
напряжение, подключают ко входу X. При
этом переключатель П должен находиться
в положении II. Поданное напряжение
усиливается Х-усилителем и подается на
горизонтально отклоняющие пластины
трубки. Если это напряжение велико или
частота его находится за пределами рабо¬чего диапазона частот усилителя, то такое
напряжение подают непосредственно на
отклоняющие пластины трубки, вынув
перемычки сс' и dd' и подключив подво¬
дящие провода к гнездам с и d.При подаче измеряемого постоянно¬
го напряжения на одну из пар отклоняю¬
щих пластин трубки отклонение луча про¬
порционально величине этого напряже¬
ния. Зная чувствительность трубки, по
величине отклонения луча можно опреде¬
лить величину измеряемого напряжения.
Такой метод измерения постоянного на¬
пряжения, однако, не точен. При измере¬
нии переменного напряжения аналогично
определяется его амплитуда.В случае использования развертки по
изображению на экране кривой напряже¬
ния можно определить его величину в лю¬
бой заданный момент. Если измеряемое
напряжение мало, то его следует подавать
на вход усилителя вертикального откло¬
нения и при вычислении учитывать чувст¬
вительность ЭО, а не трубки. При этом
измеряемая амплитуда UM напряжения
равняется:иы ~ bjx Су9где /?д - число делений на экране, соответ¬
ствующее максимальному отклонению
изображения сигнала на экране ЭЛТ от
линии развертки; Су - масштабный коэф¬
фициент (величина, обратная чувстви¬
тельности ЭО), В/дел.Исследование кратковременных пе¬
риодических импульсов при относительно
большом промежутке времени между ни¬
ми с помощью обычной развертки затруд¬
нительно, а иногда невозможно. Если раз¬
вертку синхронизировать с частотой по¬
дачи импульсов, то вследствие их малой
длительности по сравнению с периодом
повторения импульсов изображение им¬
пульса на экране ЭО будет очень сжато
по горизонтальной оси. На экране будет
заметен только всплеск исследуемого на¬
пряжения, а форму импульса подробно
рассмотреть не удастся. Если период раз¬
вертки уменьшить и сделать равным дли¬
тельности импульса, то за период подачи
438Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНп,ТДели¬тельКатод¬%штЛинияY-ный пов¬задерж¬усили-торителькитель^Внутреняяп„ВнешняяОт сетич>3уыI1X-усили-тельп2/►1'3Калибра¬
тор на¬
пряженияQ 10
12гГенератор
[шлообраз-
[юго напря¬
жениячгггаКалиб¬раторРис. 3.23. Структурная схема осциллографа со ждущей
разверткой и калибраторомимпульсов светящееся пятно будет много¬
кратно проходить по линии развертки и
только один раз по кривой импульса. По¬
этому линия развертки будет светиться
очень ярко, а кривая исследуемого им¬
пульса почти не будет видна. Кроме того,
в этом случае трудно синхронизировать
генератор развертки.Для наблюдения одиночных импуль¬
сов и кратковременных периодических
импульсов, следующих друг за другом
через большие промежутки времени, пре¬
вышающие длительность самих импуль¬
сов в десятки и сотни раз, необходима та¬
кая система развертки, которая подавала
бы напряжение развертки только во время
поступления импульсов. В промежутке
между импульсами трубка ЭО должна
быть заперта. Такая развертка называется
ждущей.При исследовании единичных им¬
пульсов с помощью ждущей развертки
пользуются ЭО, имеющими трубку с дли¬
тельным послесвечением.Для определения длительности им¬
пульсов служит калибратор, при помощи
которого на рассматриваемую на экранекривую через равные промежутки времени
наносятся метки в виде более ярких или
темных участков кривой. Для этого обыч¬
но используются свободные колебания,
возникающие в колебательном контуре.
Напряжение с контура подается в цепь
катод - управляющий электрод трубки и
изменяет яркость светящегося пятна. По¬
этому кривая на экране состоит из светлых
черточек с более темными промежутками
между ними. В зависимости от длительно¬
сти необходимого интервала времени ме¬
жду метками используются различные
контуры, набор которых имеется в осцил¬
лографе.В качестве примера рассмотрим ЭО
(рис. 3.23), имеющий как периодическую,
так и ждущую развертки. Исследуемое
напряжение подается на вход Y и через
переключатель П1 попадает на компенси¬
рованный делитель, входное сопротивле¬
ние которого почти не меняется при изме¬
нении коэффициента деления. После де¬
лителя сигнал проходит катодный повто¬
ритель (устройство, на выходе которого
напряжение точно повторяет по величине
и форме входное напряжение, предназна-
ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД439цено для того, чтобы последующая часть
схемы не влияла на работу предыдущей),
линию задержки (устройство, на выходе
которого напряжение повторяет напряже¬
ние, поданное на его вход, но с запаздыва¬
нием на некоторый промежуток времени),
f-усилитель и поступает на вертикально
отклоняющие пластины трубки.При включении пилообразной раз¬
вертки переключатель П2 находится в по¬
ложении 1. При включении ждущей раз¬
вертки он находится в положении 2, а пе¬
реключатель синхронизации- в положе¬
нии "Внутренняя". При этом сигнал че¬
рез переключатель синхронизации, пере¬
ключатель П2 и Х-усилитель попадает на
устройство "Запуск развертки и калиб¬
ратора". Импульс, полученный на выходе
устройства, одновременно подается на
калибратор и генератор пилообразного
напряжения и запускает их. Последний
работает в течение одного периода. На¬
пряжение с выхода генератора пилообраз¬
ного напряжения подается на горизон¬
тально отклоняющие пластины трубки.
Чтобы задержать исследуемый сигнал на
время, необходимое для запуска разверт¬
ки, имеется линия задержки, установлен¬
ная перед У-усилителем. Кроме того, ли¬
ния задержки позволяет получить изобра¬
жение сигнала на средней части экрана,
где искажения значительно меньше. При
использовании внешнего источника на¬
пряжения развертки переключатель П2
находится в положении 3.В ЭО входят калибратор, позволяю¬
щий наносить метки на кривую и измерять
длительность импульсов, и калибратор
напряжения, от которого на вход может
быть подано известное по амплитуде или
Действующему значению напряжение с
частотой 50 Гц (через переключатель П]);
по этому напряжению определяется чув¬
ствительность ЭО при установленном по¬
ложении делителя.Для исследования двух процессов,
протекающих одновременно, используют¬
ся двухлучевые ЭЛТ, в которых два неза¬
висимых электронных прожектора на¬правляют два электронных луча через не¬
зависимые отклоняющие системы на один
общий экран. Недостатки таких трубок -
сложность. ЭО с двухлучевыми трубками
содержат отдельные усилители для каждо¬
го из наблюдаемых процессов, отдельные
цепи управления яркостью, фокусировкой
и т.д. Это повышает стоимость таких при¬
боров.3.2.2. Классификация и особенности
применения электронных
осциллографовПо назначению и принципу действия
ЭО бывают общего назначения, универ¬
сальные, скоростные, стробоскопические,
запоминающие, специальные. По числу
одновременно наблюдаемых сигналов они
подразделяются на одно-, двух- и много¬
канальные.Моноблочные ЭО общего назначе¬
ния имеют наибольшее распространение и
применяются для исследования низкочас¬
тотных процессов, импульсных сигналов,
поверки радиоэлектронной аппаратуры.
Полоса пропускания у этих ЭО - от по¬
стоянного тока до 100 МГц, диапазон ам¬
плитуд исследуемых сигналов - от единиц
мВ до сотен В.Универсальные ЭО отличаются мно¬
гофункциональностью, достигаемой за
счет применения сменных блоков, предна¬
значенных для исследования гармониче¬
ских и импульсных сигналов. Полоса про¬
пускания универсальных ЭО - от посто¬
янного тока до сотен и тысяч МГц, диапа¬
зон амплитуд - от десятков мкВ до сотен В.
К сменным блокам относят: усилители
дифференциальный, двухканальный, вы¬
сокочувствительный, стробоскопический,
блоки развертки сдвоенной, стробоскопи¬
ческой, логарифмирующей и т.п. Для по¬
вышения точности измерений в состав ЭО
входят калибраторы амплитуд и времени.
Применение сменных блоков значительно
расширяет функциональные возможности
универсальных ЭО. В частности, усили¬
тель дифференциальный позволяет иссле¬
довать: малые изменения напряжения на
440Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНбольшом уровне постоянного напряжения,
отдельные участки импульсных сигналов;
выполнить настройку многоканальных
систем с одинаковыми выходными сигна¬
лами; исследовать сигналы при большом
уровне помех. Усилитель двухканальный
позволяет исследовать два одновременных
или следующих один за другим сигнала.Скоростные ЭО предназначены для
наблюдения и регистрации однократных и
повторяющихся импульсных сигналов и
периодических колебаний в полосе частот
порядка единиц ГГц. У скоростных ос¬
циллографов отсутствует усилитель в ка¬
нале вертикального отклонения.Стробоскопические осциллографы
предназначены для регистрации повто¬
ряющихся сигналов в широкой полосе
частот - от постоянного тока до несколь¬
ких ГГц. Амплитудный диапазон- от
единиц мВ до единиц В при одновремен¬
ной регистрации до двух сигналов. Прин¬
цип действия стробоскопического ЭО ос¬
нован на масштабно-временном преобра¬
зовании спектра исследуемого сигнала
методом амплитудно-импульсной модуля¬
ции, усилении и расширении модулиро¬
ванного сигнала и выделении исходной
формы сигнала. Стробоскопические ЭО
позволяют наблюдать форму и измерять
амплитудно-временные параметры перио¬
дических сигналов милли-, микро-, нано-
и пикосекундного диапазонов. Применя¬
ются для исследования переходных про¬
цессов в быстродействующих полу¬
проводниковых приборах, микромодуль-
ной и интегральной схемотехнике.Запоминающие ЭО предназначены
для регистрации однократных и редко по¬
вторяющихся сигналов. Эти ЭО имеют
ЭЛТ с запоминанием. Полоса пропускания
до 100 МГц при скорости записи до
4000 км/с и уровнях сигналов от десятков
мВ до сотен В при одновременной регист¬
рации не более двух сигналов. Запоми¬
нающие ЭО содержат специальные запо¬
минающие ЭЛТ, обладающие способно¬
стью преобразовывать электрические сиг¬
налы в электрические заряды, сохранятьих в течение определенного времени и
затем воспроизводить. Запоминающие
ЭЛТ бывают с непосредственным перено¬
сом изображения на экране и с увеличени¬
ем масштаба. Современные запоминаю¬
щие ЭЛТ обычно выполняют двойную
функцию: при использовании ЭЛТ в каче¬
стве устройства памяти изображенные
сигналы можно сохранять продолжитель¬
ное время для длительного исследования
а в осциллографическом режиме ЭЛТ
работает аналогично ЭЛТ обычного ЭО.
Запоминающий осциллограф содержит
также специфические дополнительные
блоки, выполняющие различные функции,
например, управления воспроизведением
и стиранием, автоматического стирания.
В зависимости от типа трубки время вос¬
произведения записанного изображения
составляет 1 ... 30 мин. При выключенном
запоминающем устройстве ЭО время со¬
хранения записанного изображения может
варьироваться от нескольких часов до не¬
скольких суток.Специальные ЭО предназначены для
исследования специальных, в частности,
телевизионных сигналов.Наряду с описанным выше методом
измерения амплитуд или временных ин¬
тервалов по калиброванной шкале, осно¬
ванным на измерении линейных размеров
изображения непосредственно по шкале
экрана ЭЛТ, ЭО обеспечивают возмож¬
ность применения ряда других методов
измерения.Измерение амплитуд методом срав¬
нения основано на замещении значения
измеряемой части сигнала калибрацион¬
ным напряжением. Отсчет измеряемого
значения производится по показателям
шкал регулировок калибрационного на¬
пряжения. Измерение амплитуд этим ме¬
тодом более трудоемко, но обеспечивает
большую точность.Измерение амплитуд методом ком¬
пенсации основано на компенсации ис¬
следуемого сигнала опорным (калибраци¬
онным) напряжением в дифференциаль¬
ном усилителе. ЭЛТ является нуль-
ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД441индикатором, по которому устанавливает¬
ся порог совмещения (компенсации сигна¬
ла). Метод обеспечивает высокую точ¬
ность.Измерения временных интервалов с
помощью задержанной развертки осно¬
ваны на смещении изображения вдоль
линии развертки относительно выбранной
неподвижной точки (линии) шкалы. От¬
счет производится по показаниям пере¬
ключателя коэффициента задерживающей
развертки и регулировки ручкой "Задерж¬
ка".Существуют и другие, менее распро¬
страненные на практике методы, реали¬
зуемые с помощью ЭО, например, метод
измерения частоты сигнала по интерфе¬
ренционным фигурам (фигурам Лиссажу),
метод измерения частоты в режиме круго¬
вой развертки.Выбор типа ЭО производится в зави¬
симости от его назначения, функциональ¬
ных возможностей и метрологических
характеристик. К числу основных харак¬
теристик относятся амплитудный диапа¬
зон, полоса пропускания, погрешность.
При любых измерениях необходимо учи¬
тывать также влияние параметров входной
цепи осциллографа (сопротивления и ем¬
кости) на источник исследуемого сигнала.
Поэтому при исследовании, например,
прямоугольных импульсов с крутыми
фронтами выбирают ЭО с малой входной
емкостью, более широкой полосой про¬
пускания, задают ждущую развертку и т.п.3.2.3. Особенности современных
электронных средствРазвитие цифровой электронной тех¬
ники позволило существенно модернизи¬
ровать отдельные узлы ЭО. В частности, к
переходным моделям ЭО можно отнести
устройства, снабженные аналого-циф-
ровым преобразователем и цифровой па¬
мятью. Такие типы измерительных прибо¬
ров можно отнести к ЭО лишь условно: с
одной стороны, они выполняют практиче¬
ски все описанные выше функции ЭО, сдругой - имеют иной принцип действия и
не содержат основного элемента класси¬
ческих осциллографов - ЭЛТ. По сути,
такие устройства являются аналого-
цифровыми приборами для измерения
электрических сигналов с графическим
представлением результатов измерения на
экране, как правило, на жидкокристал¬
лическом дисплее.Дальнейшее развитие электронной и
компьютерной техники привело к созда¬
нию нового типа электронных устройств -
блоков аналого-цифрового преобразова¬
ния для IBM-совместимых компьюте¬
ров (их также называют платами сбора
данных - ПСД). Широкий спектр таких
ПСД выпускается отечественными и зару¬
бежными фирмами. С помощью персо¬
нального компьютера, ПСД и специально¬
го программного обеспечения, которое
эмулирует панель управления классиче¬
ских измерительных приборов, можно
получить так называемый "виртуальный
прибор" с широким набором самых раз¬
личных функций.Примером ПСД является быстродей¬
ствующая плата аналого-цифрового пре¬
образования типа ЛА-н10М6, выпускае¬
мая Центром АЦП ЗАО "Руднев - Шиля-
ев" (Москва). К основным ее техническим
характеристикам относятся следующие:
частота дискретизации - до 100 МГц;
временное разрешение в режиме стробо¬
скопа - 1 не (эквивалентная частота дис¬
кретизации свыше 1 ГГц); ширина полосы
пропускания - 80 МГц; встроенная па¬
мять для хранения данных объемом
256 Кб; разрядность АЦП - 8 бит; два
входа аналоговых сигнапов; наличие внеш¬
ней и внутренней синхронизации; про¬
граммируемый коэффициент усиления;
программная поддержка для реализации
виртуального осциллографа, стробоско¬
пического осциллографа, спектроанали¬
затора, частотомера и вольтметра; со¬
вместимость с библиотеками драйверов
LabVIEW, LabWindows/CVI, Visual Basic,
C, C++. Области применения ПСД - циф¬
ровой осциллограф, спектроанализатор,
442Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН3.1. Основные характеристики ЦЗО 01-2ХарактеристикаПоказательКоличество каналов2Входной импеданс1 МОм, 17 пФДиапазон входных сигналов, В0,05 ... 50Порог чувствительности, мкВ±500Виды входовОткрытый и закрытый (АС или DC)Частотный диапазон, МГц50Частота дискретизации (внутрен¬
няя), МГц50, 25, - 0,003Регулируемые параметры- фронт и уровень синхронизации;- смещение постоянной составляющейПараметры синхронизации- один из аналоговых каналов;- внешний аналоговый сигнал с положительным
или отрицательным фронтом, до 50 МГц, входное
сопротивление 1 МОмСохранение сигналов в памяти в
реальном времени262144 отсчетаСпециальные функции- запись предыстории;- различная дискретизация для истории и
предысторииПрограммные функции- система измерительных маркеров;- автоматическое измерение амплитуды, частоты,
скорости нарастания;- функция послесвечения;- вывод на печать;- запись данных в файл;- одновременный просмотр всего массива данныхДополнительные возможностиРасширение до 16 синхронных каналов3.2. Сравнительная таблица наиболее распространенных
цифровых запоминающих осциллографовХарактеристикаЦЗО 01-1ЦЗО 01-2С1-137С9-28НР54600В(с использованием ПСД)Частота дискретиза¬
ции, МГц505012020
МОСТОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ443Продолжение табл. 3.2ХарактеристикаЦЗО 01-1ЦЗО 01-2С1-137С9-28НР54600В(с использованием ПСД)Полоса пропускания,
МГц0 ... 25о
1по0 ... 25ооо0... 100Количество каналов22222Разрядность АЦП88888Объем памяти, кб64256424частотомер, вольтметр, наблюдение про¬
цессов в реальном масштабе времени, ра¬
диолокация, контроль параметров продук¬
ции и изделий, телефония, лабораторные
исследования и др.Конечной целью применения таких
ПСД является замена стандартных узко¬
специализированных измерительных при¬
боров на многофункциональные компью¬
теризированные измерительные комплек¬
сы. Совмещение в персональном компью¬
тере возможностей быстрой цифровой
обработки, получаемой при вводе через
ПСД информации, с одновременным каче¬
ственным представлением и хранением
результатов обработки делает виртуаль¬
ные средства измерений на базе персо¬
нальных компьютеров основным измери¬
тельным инструментом для современных
инженеров в различных областях, в том
числе в НК.В качестве примера использования
ПСД для построения ЭО в табл. 3.1 приве¬
дены основные характеристики цифрового
запоминающего осциллографа (ЦЗО) типа
ЦЗО 01-2, а в табл. 3.2 представлены ха¬
рактеристики некоторых современных
ЦЗО.3.3. МОСТОВЫЕ МЕТОДЫ
ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ3.3.1. Общие сведения и классификацияВ большой группе средств НК реали¬
зуются методы сравнения измеряемой ве¬
личины с величиной, воспроизводимой
мерой. В этом случае измерение заключа¬
ется в установлении равенства или опре¬
деленного соотношения между значения¬
ми измеряемой величины и величины,
воспроизводимой мерой.Из методов сравнения наиболее ши¬
роко применяются мостовые методы - при
измерении сопротивлений, индуктивно¬
стей, емкостей, параметров катушек, вза¬
имной индуктивности и частоты.Каждое сопротивление плеча моста
(рис. 3.24) Zi, Z2, Z3 и Z4 может содержать
активную, индуктивную и емкостную со¬
ставляющие. В одну диагональ моста
(а-в - диагональ питания) включается ис¬
точник питания с напряжением ишт, а в
другую (б-г - измерительная диагональ) -
индикатор равновесия, позволяющий об¬
наружить прохождение тока в этой диаго¬
нали или появление между ее концами
разности потенциалов.
444Глава 3 ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНРис. 3.24. Схема измерительного мостаШирокое применение мостовых ме¬
тодов обусловлено большой точностью
измерения, высокой чувствительностью и
возможностью измерения различных ве¬
личин. В основе работы измерительных
мостов заложен либо дифференциальный,
либо нулевой методы измерения. При
дифференциальном методе на индикатор
в мостовой схеме воздействует разность
значений измеряемой величины и извест¬
ной величины, воспроизводимой мерой, и
мост работает в так называемом неуравно¬
вешенном или несбалансированном режи¬
ме. При нулевом методе результирующий
эффект воздействия на индикатор изме¬
ряемого сопротивления и сопротивления,
воспроизводимого мерой, доводят до нуля
и мост работает в уравновешенном или
сбалансированном режиме.Измерительные мосты различают по
роду тока источника питания и схемному
исполнениюМосты постоянного тока делят на
двуплечие, одинарные (четырехплечие) и
двойные (шестиплечие). Индикаторами
равновесия в них наиболее часто являются
измерительные механизмы магнито¬
электрической системы (гальванометры).
Мосты переменного тока подразделяют¬
ся на одинарные, двойные, Т-образныеПо характеру сопротивления плеч
мосты бывают с индуктивными и безин-
дуктивными связями, а по влиянию часто¬
ты - частотонезависимые (равновесие их
не зависит от частоты питающего напря¬
жения) и частотозависимые (равновесие
зависит от частоты питающего напряже¬
ния) Индикаторами равновесия в них
наиболее часто являются электронные
приборы.Для обеспечения баланса моста необ¬
ходимо и достаточно соблюдение равен¬
ства ZjZ4 = Z2Z3, называемого уравнеТ
нием баланса моста. ^ ?Комплексные сопротивления плеч;
имеют видZ\ - R\ + Jx\ \ %2-&2+ Jx2 9 М
Z3=*3+ Jxз? Z4 = R4 + jx4, ^* Лпоэтому уравнение баланса моста может
быть представлено в виде равенств веще%
ственных и мнимых членов: *R{R4 -XlX4 =i?2^3 ~Х2Х3>Rxx4 + RAxx = R2x з + R3x2.При представлении комплексных со¬
противлений плеч в виде2j=zje^; Z2 = z2 ел>2;
Z3=z3e-/95; Z4 = z4 еуф4,где zx, z2, z3, z4 - модули полных сопро^
^ , ij
тивлении плеч, cpj, cp2, cp3, cp4 - углы сдви^га тока относительно напряжении в соощ
ветствующих плечах (фазовые углы'
противлений), уравнение баланса моста
преобразуется к видуzx eJ(plz4 е;ф4 = z2 e;(p2z3 е;фз ,
что эквивалентно двум равенствам:zxz4 - z2z3 - равенство произведу
ний модулей сопротивлений противошй
ложных плеч;ф1 + ф4 = ф2 + ф3 - равенство сум|*
фазовых углов сопротивлений противопо-§
ложных плеч.Необходимость выполнения двух jjaj
венств означает, что балансировку моста
переменного тока можно осуществить
путем регулировки не менее двух naPai
метров, модуля и фазового угла сопротив|
лений какого-либо плеча. Условие обеспе|
чения равенства сумм фазовых углов про|
тивоположных плеч указывает на спец^
фику расположения плеч моста Ес.
МОСТОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ445смежные плечи, например третье и чет¬
вертое, имеют чисто активные сопротив¬
ления (Z3 = Я3 и Z4 =R4), т.е. ф3 = ср4 = 0,
го два других смежных плеча (Z\ и Z2)
должны иметь оба либо индуктивный,
дибо емкостный характер. Если противо¬
положные плечи чисто активные, то одно
из двух других плеч должно быть
индуктивным, а другое - емкостным.В некоторых случаях мосты имеют
один орган регулировки, например, при
измерении чисто активных сопротивлений
на постоянном токе, когда равновесие
'моста определяется лишь равенством про¬
изведений модулей сопротивлений проти¬
воположных плеч. При измерении актив¬
ных сопротивлений непроволочных рези¬
сторов или емкости конденсаторов на низ¬
ких частотах (влиянием индуктивной со¬
ставляющей непроволочных сопротивле¬
ний и активной составляющей сопротив¬
ления конденсаторов можно пренебречь)
также возможно применение одного орга¬
на регулировки мостов.В качестве органа регулировки с
плавным изменением модуля сопротив¬
ления обычно применяют переменные
резисторы и конденсаторы, так как их фа¬
зовые углы практически не изменяются
при изменении их сопротивления или ем¬
кости (фазовый угол сопротивлений пере¬
менных резисторов близок к нулю, а фазо¬
вый угол воздушных переменных конден¬
саторов близок к 90°). Катушки с пере¬
менной индуктивностью практически не
применяются, так как изменение индук¬
тивности приводит к существенному из¬
менению их активного сопротивления.
Грубую регулировку моста осуществляют с
помощью переключателя, позволяющего
изменять модуль сопротивления плеча
обычно по геометрической прогрессии с
основанием 10.В качестве органа регулировки фазо¬
вого угла обычно используются перемен¬
ные резистор и конденсатор, включенные
параллельно или последовательно. В этом
случае при изменении активного сопро-Рис. 3.25. Схемы мостов:а - балансируемого; б - небалансируемоготивления или емкости конденсатора изме¬
няется не только величина фазового угла,
но также модуль общего сопротивления.
Это затрудняет балансировку мостов и
заставляет после регулировки фазового
угла проводить регулировку модуля со¬
противления и так далее, пока не будет
достигнута требуемая точность баланси¬
ровки.При рассматриваемом методе регу¬
лировки фазовый угол можно изменять
только от 0 до 90°, поэтому некоторые
типы мостов не могут быть сбалансирова¬
ны. На рис. 3.25, а приведен пример схемы
балансируемого моста, а на рис. 3.25, б —
схемы небалансируемого моста. При из¬
мерениях применяются балансируемые
мосты.Процедура балансировки может вы¬
полняться различным образом. Так, на¬
пример, при измерении сопротивления Zxусловия баланса моста: Zx =Z2Z3 /Z4. Приплавной регулировке сопротивления Z2
два других сопротивления Z3 и Z4 являют¬
ся постоянными, а их модули равны или
один больше другого в 10, 100 или
1000 раз. Такой мост называется мостом
отношения плеч, так как в этом случае
измеряемое сопротивление Z\ определяет¬
ся как произведение сопротивления Z2 на
величину отношения Z3/Z4. При плавной
регулировке сопротивления Z4 произведе¬
ние модулей сопротивлений Z2 и Z3 обыч¬
но равно 1, 10, 100 или 0,1, 0,01. Такой
мост называется мостом произведения
плеч, так как при его использовании вели¬
чина сопротивления определяется как ча¬
стное от деления произведения Z2Z3 на Z4.
446Глава 3 ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНВ таких мостах сопротивление Z\ пропор¬
ционально проводимости сопротивления
Z4, т е величине 1/Z4Метод сбалансированного моема
позволяет получить высокую точность
измерения сопротивлений, так как при
балансе моста ток в индикаторе равен ну¬
лю и индикатор не потребляет мощности
из измерительной цепи Кроме того, от¬
счет по шкале индикатора не производит¬
ся - по его нулевому показанию устанав¬
ливается только состояние баланса моста
Точность балансировки зависит от чувст¬
вительности индикатора и точности об¬
разцовых сопротивлений плеч моста Точ¬
ная балансировка моста требует сравни¬
тельно много времени, поэтому рассмат¬
риваемый метод без специальных уст¬
ройств автоматизации процедуры балан¬
сировки получил распространение, в ос¬
новном, в лабораторной практике, когда
требуется получение высокой точности
измерений при ограниченном их числеМосты с устройствами для автомати¬
ческой балансировки называются самоба¬
лансирующимися мостами. Сочетание
преимуществ сбалансированного моста с
автоматизацией процедуры его баланси¬
ровки обеспечивает широкое распростра¬
нение этих мостовМетод несбалансированного моста
также широко применяется в практике
НК Он используется при массовом кон¬
троле объектов, состояние которых харак¬
теризуется сопротивлениями, индуктивно¬
стями или емкостями близких друг к дру¬
гу значений, а также при необходимости
непрерывной регистрации изменения кон¬
тролируемого параметра Перед измере¬
ниями мост балансируется по значению
образцового сопротивления Z0, близкому к
значению контролируемых сопротивле¬
ний Затем образцовое сопротивление от¬
ключают, а вместо него поочередно под¬
ключают контролируемые сопротивления
Zx Различие в значениях контролируемого
и образцового сопротивлений вызывает
разбаланс моста, характеризуемый появ¬
лением разности потенциалов /7И и тока /ив измерительной диагонали мостаПри реализации метода несбаланси¬
рованного моста вместо индикатора в диа¬
гональ включается измерительный при-
бор- вольтметр или амперметр, опреде¬
ляющий соответственно £/и или /и Изме¬
ренные значения С/и и /и несут информа¬
цию о значении отклонения контролируе¬
мого сопротивления от образцового, шка¬
ла измерительного прибора градуируется
в абсолютных единицах измеряемой вели¬
чины или в процентах (такие мосты часто
называют процентными)Метод несбалансированного моста
менее точен, поскольку- измерительный прибор потребляет
из цепи мощность и тем самым вносит
погрешность в результаты измерения,- измерительный прибор имеет соб¬
ственную погрешность, которая вносится
дополнительно в результат измерения со¬
противления,- напряжение £/и или ток /и в диаго¬
нали моста пропорциональны напряже¬
нию источника питания /7ПИХ, и нестабиль¬
ность последнего вносит дополнительную
погрешность в результаты измеренийМетод несбалансированного моста на
переменном токе применяется обычно в
том случае, когда измеряемое сопротивле¬
ние Zx отличается от образцового сопро¬
тивления Z0 лишь по модулю при близких
значениях фазовых углов Если фазовые
углы сопротивлений Zx и Z0 одинаковы, то
сдвиг фаз между /7И и Uum равен 0 или
180° Равенство угла ср нулю или 180° оп¬
ределяется знаком AZ = Z0-Zx Если Zx
отличается от Z0 не только по модулю, но
и по фазовому углу (ср0 - ср* Ф 0), то мо¬
дуль напряжения или тока на приборе за¬
висит как от (Z0 - Zv), так и от (фо-Фх)
Поэтому неравенство фазовых углов кон¬
тролируемого и образцового сопротивле¬
ний вносит дополнительную погрешность
в результаты измеренияВажной характеристикой измери¬
тельного прибора является его чувстви¬
тельность, определяемая как отношение
МОСТОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ447Изменения выходной величины к вызвав¬
шему эт0 изменение изменению входной
величины. Для мостовой цепи выходной
величиной является ток или напряжение, а
входной - отклонение контролируемого
^противления от величины образцового
Сопротивления, поэтому чувствительность
|мостового прибора S может быть пред¬
оставлена выражениями: Sj -dlldZ или
tgy =dU I dZ.Чувствительность измерительного
мостового прибора S определяется про¬
изведением чувствительностей мостовой
схемы SM и индикатора 5ИНД: S*$м *$инд*Относительная чувствительность
мостовой схемы определяется отношени¬
ем изменения выходной величины мосто¬
вой схемы к относительному изменению
измеряемого сопротивленияv dI«
мо d(Zx /Z0)Относительная чувствительность
мостового прибора S0 равна: S0 = SM0 5ИНд.* Для повышения чувствительностиi мостового прибора следует повышать чув¬
ствительность как мостовой схемы, так и
Индикатора Поэтому целесообразно в ка¬
честве индикатора тока в диагонали моста
использовать наиболее чувствительные
магнитоэлектрические измерительные
механизмы, а в качестве индикаторов на¬
пряжения - электронные вольтметры.Чувствительность мостовой схемы
зависит от сопротивлений плеч моста, на¬
пряжения источника питания и сопротив¬
ления индикатора.При использовании в качестве инди¬
катора электронного вольтметра, его
входное сопротивление настолько велико,
что практически не оказывает влияния на
работу мостовой схемы. Если измеряется
активное сопротивление, то чувствитель¬
ность достигает максимального значения
при равенстве сопротивлений всех плеч
моста (равноплечий мост). Если измеряет¬
ся комплексное сопротивление, то макси¬
мальная чувствительность достигается
при Z2 = -Zj.Если в качестве сопротивления Z\ ис¬
пользуется конденсатор, а в качестве со¬
противления Z2 - катушка индуктивности,
или наоборот, то фазовые углы могут от¬
личаться друг от друга на величину, дос¬
таточно близкую к 180°, и чувствитель¬
ность мостовой схемы может стать очень
большой. Однако практически это явление
не используют, так как балансировка мос¬
та становится сложной, а его работа не¬
стабильной.Наиболее стабильно работают мосты,
у которых все плечи имеют одинаковый
характер: индуктивный, емкостной или
активный. В некоторых случаях применя¬
ют мосты, у которых два плеча Z2 и Z4 или
Z\ и Z3 имеют индуктивный или емкост¬
ной характер, а два других плеча являются
активными. В последнем случае мосты
имеют чувствительность примерно в2 раза большую, чем мосты, во всех пле¬
чах которых включены сопротивления с
одинаковыми фазовыми углами.Мосты постоянного тока применяют¬
ся для измерения сопротивлений, рабо¬
тающих на этом виде тока, или сопротив¬
лений, значение которых слабо зависит от
частоты. При измерении малых сопротив¬
лений схемы обычных мостов непригод¬
ны, так как в величину измеряемого со¬
противления войдут сопротивления со¬
единительных проводов и зажимов. По¬
этому для измерения малых сопротивле¬
ний применяются мосты, собранные по
специальным схемам.3.3.2. Мосты переменного токаМосты переменного тока использу¬
ются для измерений активного сопротив¬
ления, емкости и индуктивности. В табл. 3.3
приведены возможные комбинации со¬
единений плеч.Сопротивление реального конденса¬
тора характеризуется не только емко¬
стью С, но и тангенсом угла диэлектри¬
ческих потерь tgS, а сопротивление ка¬
тушек индуктивности - индуктивностью L и
добротностью Q = 1 / tgS . Реальные кон¬
денсаторы и катушки при расчетах заме-
448Глава 3 ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН3.3. Виды соединений сопротивлений плеч мостов
переменного тока различного назначенияНомерсхемыНазначениемостаПлечи мостаПримеча¬ние12341Измерение ем¬
кости и угла
потерь конден¬
сатора с малы¬
ми потерямиОс Rxчь■F&*34Z>r4-C=>-2Измерение ем¬
кости и угла
потерь конден¬
сатора с боль¬
шими потерямиОс Rxчь-feRtfZPRiH=hR4-CD-3Измерение уг¬
ла потерь изо¬
ляционных ма¬
териалов (ди¬
электриков)
при высоком
напряженииОс RxчьЧЬ*3-CD-R^ZP-4Измерение ин¬
дуктивности
катушки с ис¬
пользованием
образцовой
индуктивностиRLxRx-rzY>r>r^L0 R0Яз-or4-CD5Измерение ин¬
дуктивности
катушки с ис¬
пользованием
образцовой
индуктивностиLXR\R LqRqRi4=br4-CDRx>Ro6Измерение ин¬
дуктивности
катушки с ис¬
пользованием
образцовой
емкости^х Rxr2-CD-*зH=b1<е<зо7Измерение ин¬
дуктивности
катушки с ис¬
пользованием
образцовой
емкостиEx Rxr2*з-CD-R*Q> 30
МОСТОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ449а)б)Uкг*)г)Рис. 3.26. Схемы замещения конденсаторов и катушек индуктивности:а- последовательная схема замещения конденсатора, б - параллельная схема замещения конден¬
сатора, в - последовательная схема замещения катушки индуктивности, г - параллельная схемазамещения катушки индуктивностиняют соединенными параллельно или по¬
следовательно, соответственно, идеаль¬
ными емкостью или индуктивностью и
активным сопротивлением, вызывающим
те же потери, что имеют место в реальном
конденсаторе или катушкеНа рис 3 26 приведены схемы заме¬
щения конденсаторов и катушек индук¬
тивности и соответствующие им вектор¬
ные диаграммы При последовательных
схемах замещения для конденсатора
tg5 = coRC, для катушки индуктивностиQ = (dL/R При параллельных схемах
замещения для конденсатора tg8 =
= 1/(охЯС), для катушки индуктивности
Q = R/((dL)Для измерения параметров конденса¬
торов с малыми потерями следует исполь¬
зовать схему 1 (см табл 3 3) Ей соответ¬
ствует последовательная схема замещения
(см рис 3 26, а) При этом схема моста
имеет вид, приведенный на рис 3 27, а
полные сопротивления плеч мостасо СпZ4 = R4 ,Условия равновесия имеют вид
Rx = R0R3 /R4, Сх =C0R4/ R3, а угол по¬
терь определяется выражениемtgS = a>RxCx = (В R0C0Для измерения емкости конденсато¬
ров с большими потерями используют
параллельную схему замещения кон¬
денсатора и, следовательно, схему 2
(см табл 3 3 и рис 3 26,6) В этом случае
комплексные сопротивления плеч мостаZ 1 z 11 l/Rx+j<s>Cx ’ 2 I/Rq + j(aC0= Кз> = ^4 >а условия равновесия имеют вид
Rx = R0R3 / R4, Сх= C0R4 / R3 При этом
угол потерь определяется выражениемZl=RX~J1оз С гZ3-R3,tgS =11
450Глава 3 ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНРис. 3.27. Схема моста
для измерения емкости
конденсатора с малыми
потерями при последова¬
тельной схеме его заме¬
щенияДля определения потерь в диэлектри¬
ках применяется мост, составленный по
схеме 3 Его преимущества заключаются в
возможности независимого уравновеши¬
вания с помощью конденсатора С4 и рези¬
стора R4 В этом случаеZ\=Rx+V(j(i>Cx), Z2 =1/(уюС0),Z3=R3, = l/(l/Л4 + jcdC^) ,
а условие равновесия имеет вид^+1/(7(оСх)_ 1 ( 1j(oC0 I R4— + уюС4из которого вытекает Rx = R3C4 / С0,
Сх = 0)^4 I9 ^ = ~ <bC4R4Для измерения индуктивности и доб¬
ротности катушек используют схемы 4, 5
и 6 В схемах 4 и 5 включается дополни¬
тельное сопротивление R при Rx < R0 оно
включается последовательно с измеряе¬
мой катушкой, а при Rx > R0 - последова¬
тельно с образцовой катушкой При вклю¬
чении R последовательно с Rx сопротивле¬
ния плеч моста определяются выраже¬
ниямиZj =R + RX +jaLx,= Ro + , Z3 = i?3, Z4 = R4 ,
а из условий равновесия мостаRx = R0R3 / R4 ~ R 9 Lx = LfiRy / R4,Qx = ®Lx /Rx = ®L0 /R0Если добавочное сопротивление
включено последовательно с образцовой
катушкой, то= С^о + я)я3 / R4 , Lx= L0R3 / *
QX=®LX/RX=®L0/R0При проведении измерений следуй
обращать внимание на то, чтобы катушки
индуктивности были расположены доста¬
точно далеко друг от друга, а их оси были
перпендикулярны, что важно для умень-
шения взаимной индуктивности меязду
нимиЧаще для измерения параметров ка¬
тушки индуктивности используют образ¬
цовый конденсатор Образцовый резистор
включают последовательно (схема 7) или
параллельно (схема 6) образцовому коц-.
денсатору Для схемы 6 условия равнове¬
сия и добротность определяются из выра¬
женийRx = / Я0 , Lx = C0R2R3;Q = d)Lx / Rx = (oC0R0Для схемы 7 условия равновесия
имеют более сложный вид_ со2СоЯ0Я2Я3 _ 0)Я2Я31 + (соС0Л0 У ’ * 1 + (соС0Л0)2Рассмотренные схемы мостов для из¬
мерения катушек индуктивности приме¬
няются лишь при условии Q > 1. Пр&
меньших значениях Q уравновесить четы¬
рехплечие мосты практически невозмож¬
но, поэтому применяют специальные мос¬
товые схемы3.3.3. Трансформаторные мостыМосты переменного тока могут иметь
индуктивную связь между плечами моста
и цепью источника питания или индика¬
тора Такие схемы принято называть
трансформаторными мостами
МОСТОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ451В схеме четырехплечего измеритель¬
ного трансформаторного моста (рис 3 28,а) вторичная обмотка трансформатора
выполняет роль плеч Z3 и Z4 Эта схема
относится к симметричным схемам, у
которых Zj = Z2 и Z3 = Z4 Ее преимуще¬
ство заключается в том, что она позволяет
рри большом сопротивлении плеч Z2 и Z4
до отношению к источнику питания моста
получить малые значения сопротивления
дах плеч по отношению к индикатору,
что обеспечивает максимальную чувстви¬
тельность При включении вместо Z\ из¬
меряемого сопротивления Zx сопротивле¬
ние Z2 регулируют так, чтобы Z2=ZX,
что с учетом Z3 = Z4 обеспечивает баланс
мостаАналогично работает схема, приве¬
денная на рис 3 28, б, в которой две поло¬
вины первичной обмотки выходного
трансформатора выполняют роль плеч Z3
и Z4 Эта схема относится к симметрии-
ным схемам, у которых Z\ = Z2 и Z3 = Z4
Преимущество такой схемы заключается в
том, что она позволяет одновременно вы¬
полнять два условия для получения
большой мощности Pi, подводимой к из¬
меряемому сопротивлению Zj, сделать
сопротивления Z3 и Z4 малыми по отноше¬
нию к источнику питания, а для увеличе¬
ния мощности Ри, подводимой к индика¬
тору, сделать сопротивления Z3 и Z4 боль¬
шими по отношению к индикаторуСхема, приведенная на рис 3 28, в,
отличается от выше рассмотренной тем,
что в ней используется дифференциальная
катушка индуктивности, выполняющая
роль автотрансформатора. Для уменьше¬
ния сопротивлений Z3 и Z4 обеих половин
обмотки трансформатора или катушки по
отношению к источнику питания наиболее
оптимальным соотношением является от¬
ношение индуктивного сопротивления
обмотки трансформатора или катушки к
измеряемому сопротивлению от 6 1 до
Ю 1 Следовательно, мостовая схема со
вторым типом симметрии из-за наличия
потока рассеяния и активного сопротивле¬
ния обмоток не позволяет получить ту жеРис. 3.28. Схемы трансформаторных мостов:а — со вторичной обмоткой трансформатора,
выполняющей роль плеч Z3 и Z4, б - с первич¬
ной обмоткой трансформатора, выполняющей
роль плеч Z3 и Z4, в - с дифференциальной
катушки индуктивностичувствительность, которую дает мостовая
схема с первым типом симметрииТрансформаторные мосты применя¬
ются для НК объектов, техническое со¬
стояние которых характеризуется ком¬
плексным сопротивлением или различны¬
ми неэлектрическими величинами, пред¬
варительно преобразованными в измене¬
ние индуктивности или емкостиПреимуществами трансформаторных
мостов являются- практически постоянная чувстви¬
тельность в широком диапазоне измене¬
ния отношения плеч,- возможность применения для изме¬
рений параметров в широком диапазоне
частот (до сотен мегагерц),- высокая точность (достигается по¬
грешность в пределах 0,01 0,001 %)3.3.4. Фазочувствительные мостыВ случае измерения сопротивления Z\
методом несбалансированного моста на
переменном токе для определения знака
ЛZx необходимо знать сдвиг фаз междунапряжением UmT источника питания и
напряжением С/и на индикаторе (приборе)
Зная знак AZ и величину сопротивления
Zo, легко определить измеряемое сопро¬
тивление Zj = Z0 ± AZДля определения сдвига фаз между
ишт и UH применяют так называемые
452Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНVD+ +Г1_Рис. 3.29. Схема моста с фазочувствитель¬
ным однополупериодным амплитудным
выпрямителемфазочувствительные мостовые схемы с
выпрямителями. Простейшая фазочувст¬
вительная схема (рис. 3.29) представляет
собой однополупериодный выпрямитель,
на вход которого подается сумма напря¬
жений с измерительной диагонали моста
t/H и с дополнительной обмотки транс¬
форматора, питающего измерительный
мост, С/д.В этом случае при Z3 = Z4 = Z ,cpj = ф2 и AZ < 0 (Zj < Z2) напряжениена измерительной диагонали имеет ту же
фазу, что и напряжение на дополнитель¬
ной обмотке трансформатора, и указанные
напряжения складываются. При AZ > О
фазы напряжений оказываются противо¬
положными, и напряжения арифметически
вычитаются. Таким образом, при балансе
моста (AZ = 0) ии= С/Дтах , при AZ > 0 :> ^Дтах. а при AZ < О : С/и < [/Дтах.Недостатком рассмотренной схемы
является то, что даже при сбалансирован¬
ном мосте ии Ф 0 и, следовательно, неста¬
бильность иш1 вносит определенную по¬
грешность в результаты измерений.Указанного недостатка лишена схе¬
ма, приведенная на рис. 3.30. В ней ток i\
через диод VD\ проходит в течение одного
полупериода, когда потенциал точки АРис. 3.30. Схема измерительного моста с
фазочувствительным однополупериодным
выпрямителем на двух диодахвыше потенциала точки С. В этот же по-
лупериод диод VD2 пропускает ток i2.
Цепь диода подключена параллельно пле¬
чу моста (например, цепь диода VD\ с со¬
противлением Rs подключена параллельно
Z3), поэтому на диод подается большое
напряжение, коэффициент выпрямления
диода можно считать неограниченно
большим, а его сопротивление в течение
полупериода, когда он открыт, практиче¬
ски равным нулю.Рассматриваемая схема моста имеет
симметрию Zj = Z2 и Z3 = Z4. Сопротив¬
ления R5 и R6, будучи одинаковыми, не
нарушают эту симметрию.Если напряжения на плечах моста и,
следовательно, на сопротивлениях Rs и Ль
одинаковы (мост сбалансирован), то ток
через измерительный прибор не проходит.
При уменьшении сопротивления Z\ на¬
пряжение на сопротивлении Z2 увеличива¬
ется. В результате UR5 - UR6 Ф 0 и через
прибор проходит ток /„ в направлении,
указанном на рис. 3.30 стрелкой. Чем
сильнее разбалансирован мост, тем боль¬
ше ток /и. При увеличении сопротивления
Zj ток /и проходит в обратном направле¬
нии и показания прибора изменяют знак.Двухполупериодная выпрямительная
схема (рис. 3.31), работая аналогично,
имеет в 2 раза большую чувствительность.Основным недостатком рассматри¬
ваемых схем является наличие в них со¬
противлений R5 и Re, шунтирующих изме-
МОСТОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ453рительный прибор и, соответственно,
снижающих чувствительность измери¬
тельного моста.На рис. 3.32 приведены схемы мос¬
тов, свободные от этого недостатка. В
схеме на рис. 3.32, а в первое плечо вклю¬
чается обмотка 1 трансформатора Т и дио¬
ды VD\ и VD2, во второе плечо - сопро¬
тивление Z\ и диоды VD3 и VD4, в третье -
обмотка 2 трансформатора Т и диоды VD5
и VDe, а в четвертое - сопротивление Z2 и
диоды VD-j и FZ)g.. В зависимости от полу-
периода в каждом из плеч моста работает
один из диодов. При балансе моста токи,
создаваемые действующей в обмотках
трансформатора ЭДС, проходят в приборе
в противоположных направлениях и ком¬
пенсируют друг друга. Если измеряемое
сопротивление Z] > Z0, то ток, создавае¬
мый ЭДС, действующей в обмотке 7, ста¬
нет меньше тока, создаваемого ЭДС, дей¬
ствующей в обмотке 2. В оба полупериода
эти токи проходят через прибор в одина¬
ковом направлении (от точки т к точке /).
Если измеряемое сопротивление Z\ < Z0,
то результирующий ток в оба полупериода
проходит через прибор в противополож¬
ном направлении.Схема, изображенная на рис. 3.32, б,
работает аналогично. Обе эти схемы име¬
ют более высокую чувствительность, чем
предыдущие. Их основным недостатком
является большое число используемых
диодов.Меньшее число диодов содержит
схема, приведенная на рис. 3.33. Так как
ее диоды включены в плечи моста при его
обходе в одном направлении, то она полу¬
чила название кольцевой или круговой
схемы. В один из полупериодов токи про¬
ходят через диоды VD2 и FD3. Если мост
сбалансирован, то напряжения на сопро¬
тивлениях Z3 и Z4 одинаковы и ток через
прибор не проходит. То же будет и во вто¬
рой полупериод, когда токи проходят че¬
рез диоды VD\ и VD4.Если Z] > Z2, то ток 1\ в один из полу¬
периодов меньше тока 12. Поэтому напря¬
жение на сопротивлении Z3 больше, чемРис. 3.31. Схема измерительного моста с
фазочувствительным двухполулериодным
выпрямителемCjа)об)Рис. 3.32. Схемы измерительных
мостов с фазочувствительными
двухполупериодными выпрямителями:а-с двумя мостовыми схемами включения
диодов; б-с двумя кольцевым схемами
включения диодов
454Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНРис. 3.33. Измерительный мост с
включением диодов по кольцевой схеменапряжение на сопротивлении Z4, и ток
через прибор пройдет слева направо. В
другой полупериод сопротивление Z3 че¬
рез диод VD\ соединено последовательно с
сопротивлением Z1? поэтому напряжение
на нем станет меньше, чем напряжение на
сопротивлении Z4. Эти напряжения имеют
полярность, противоположную полярно¬
сти напряжений в предыдущий полупери¬
од, и, следовательно, уменьшение напря¬
жения на Z3 создает ток через прибор в
направлении также слева направо. При
условии Z\ < Z2 ток в оба полупериода
проходит через прибор справа налево.В рассмотренных схемах мощности,
подводимые к прибору, при одинаковых
величинах сопротивлений и напряжений
источника питания относятся как 2:6:13:
: 13 : 10 (числа расположены в соответст¬
вии с расположением схем на рис. 3.30,
3.31,3.32,3.33).Рис. 3.34. Мостовая схема с фазочувстви¬
тельным усилителем-выпрямителемЕще большую чувствительностьобеспечивает включение в диагональ мос¬
та фазочувствительного выпрямителя
работающего на усилительных элементах
На рис. 3.34 приведена схема фазочувст¬
вительного усилителя-выпрямителя на
двух транзисторах. Сопротивления Zx и Z2
(обычно индуктивного характера) и со¬
противления половин первичной обмотки
трансформатора Z3 и Z4 образуют мосто¬
вую схему. Этот мост индуктивно связан с
другим мостом, состоящим из транзисто¬
ров VTX, VT2 , сопротивлений Ru R2 и из¬
мерительного прибора И в диагонали. При
балансе моста токи в половинах обмоток
трансформатора Z2 и Z4 равны, но направ¬
лены встречно. Поэтому суммарный маг¬
нитный поток в сердечнике трансформа¬
тора Т равен нулю, напряжение в его вто¬
ричной обмотке отсутствует, транзисторы
VT\ и VT2 работают в одинаковом режиме,
и токи их коллекторов равны.При разбалансе моста Zx ^ Z0, нера¬
венство токов в половинах обмотки транс¬
форматора Т приводит к тому, что в его
вторичной обмотке возникает ЭДС:
8 = kUH , где к - коэффициент трансфор¬
мации трансформатора. Фаза ЭДС зависит
от направления разбалансировки моста.
ЭДС во вторичной обмотке трансформа¬
тора используется для управления коллек¬
торным током транзисторов с помощью
регулировки их эмиттерных токов, источ¬
ником которых и служит ЭДС. Цепи базы
транзисторов присоединены к противопо¬
ложным концам обмотки трансформатора,
поэтому питаются напряжениями, нахо¬
дящимися в противофазе. Если при подаче
этого напряжения коллекторный ток одно¬
го транзистора увеличивается, то у друго¬
го он уменьшается. Это приводит к изме¬
нению напряжений на R\ и R2, и в цепи
прибора появляется ток. Транзисторы ра¬
ботают только половину периода, когда на
их коллекторы подается напряжение соот¬
ветствующей полярности, поэтому ток
через прибор проходит только половину
МОСТОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ455периода и всегда имеет одно и то же на¬
правление. Таким образом, схема является
одновременно и усилителем, и выпрями¬
телем.При изменении направления разба-
лансировки моста фазы эмиттерных на¬
пряжений изменяются на 180°. В результа¬
те на выходе схемы имеет место выпрям¬
ленный ток, но обратного направления.
Конденсаторы С\ и С2 служат для сглажи¬
вания пульсаций напряжений на резисто¬
рах R\ и Ri и выделения из сигнала посто¬
янной составляющей, измеряемой прибо¬
ром И.Значительно больший эффект повы¬
шения чувствительности обеспечивается
при использовании фазочувствительных
усилителей-выпрямителей на операцион¬
ных усилителях.3.3.5. Специальные схемы мостовДвойной мост постоянного тока
(рис. 3.35) содержит рабочую цепь, со¬
ставленную из источника питания Unm,
регулировочного сопротивления Rp, изме¬
ряемого сопротивления Rx, сопротивления
R, образцового сопротивления Rq. Измери¬
тельная часть цепи составлена резистора¬
ми Ri - R4 и внутренним сопротивлением
Rи индикатора И. Преобразовав треуголь¬
ник сопротивлений Д3, R4, R в эквивалент¬
ную звезду, можно получить схему оди¬
нарного моста, для которой при равнове¬
сии /и = 0. Следовательно, измеряемое
сопротивлениеR = R ^ 1 ^1 *з* °r2 я+я3+л<{я2 r4)При R] = R3,R2 = R4 и малом значе¬
нии сопротивления R (в качестве R берет¬
ся короткий соединительный провод
большого сечения) вторым членом в вы¬
ражении для Rx можно пренебречь.Двойной мост применяют для изме¬
рения малых сопротивлений (10-8... 10 Ом).Для исключения влияния соедини¬
тельных проводов сопротивление резисто¬
ров R] — R^ выбирается больше 10 Ом, а^1 ^2
I ПЗ—т—ЕЗ 1
(и) *4
Г~у —2— 4ZD-| » ^питI С_Н-@—1| 1Рис. 3.35. Схема двойного мостаобразцовое сопротивление Rq - того же
порядка, что и измеряемое. Для подклю¬
чения образцового и измеряемого рези¬
сторов в рабочую цепь служат токовые
зажимы, в измерительную цепь - потен¬
циальные зажимы.Уравновешенный одинарно-двойной
мост постоянного тока типа Р329 совме¬
щает в себе оба моста и позволяет изме¬
рять сопротивления в диапазоне от 10~8
до 106 Ом.Специальные высокоомные мосты
постоянного тока (четырехплечие и дву¬
плечие) применяют для измерения боль¬
ших сопротивлений (Ю10 ... 1016) Ом. Из¬
мерение высокоомных сопротивлений
сопровождается уменьшением токов в
измерительных цепях моста, понижением
чувствительности последнего, а также
увеличением влияния внешних электро¬
магнитных помех. Для снижения влияния
помех мост полностью экранируют, а одну
из узловых точек моста соединяют с экра¬
ном, благодаря чему уменьшаются токи
утечки.На рис. 3.36, а показана схема четы¬
рехплечего моста для измерения высоко¬
омных сопротивлений. В плечи моста
включены измеряемое R\ = Rx и образцо¬
вое R2 = R0 сопротивления. Плечи отноше¬
ния R3 и R4 представляют собой низкоом¬
ный вспомогательный делитель напряже¬
ния (регулируемое плечо R4 - многодекад¬
ный магазин сопротивлений с верхним
пределом 105 Ом, а плечо R3 - набор об¬
разцовых мер со значениями 102 ... 105
Ом). В момент равновесия моста измеряе¬
мое сопротивление Rx и напряжение на
нем Ux равны:
456Глава 3 ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНРис. 3.36. Схемы высокоомных
мостов постоянного тока:а - схема четырехплечего моста, б - схема
двуплечего мостаRx=R0~-к->Яи=и-Rv + Rt■ = и■о1 + к’R.TiL,Uи - /?игде к = Я3 / /?4 = Я0 / - коэффициент
отношения плечНапряжение £/ измеряют вольтмет¬
ром Индикатором равновесия И может
быть электрометр электростатический или
ламповыйВ мосте Р4050 вольтметр измеряет
напряжение на плече Я4 = const, а Я3 явля¬
ется регулируемым сопротивлением Пре¬
делы измерения сопротивлений этим мос¬
том 105 1014 Ом с погрешностью0,05 2 % Пределы измерения мостом
Р453 10‘2 1016 ОмДвуплечий мост (рис 3 36, б) состо¬
ит из измеряемого Rx = Rx и образцовогоR2 = R0 резисторов, включенных в дваплеча Напряжения U\ и U2 подают от
двух источников питания, включающих в
себя устройства для ступенчатой Е\ и
плавной Ei регулировок напряжений На¬
пряжения U\ и U2 измеряются магнито¬
электрическими вольтметрами PVi и PV2
Напряжение Uи на зажимах индика¬
тора равновесия И с внутренним сопро¬
тивлениемПри равновесии (£/и=0) измеряе¬
мое сопротивление определяется выраже¬
ниемRx = Rq(U\/U2) = Ro/k, к= U2iU\Перед измерением устанавливают по
вольтметру PVi напряжение U\9 при кото¬
ром требуется определить значение сопро¬
тивления RX9 а затем добиваются равнове¬
сия, изменяя напряжение U2Т-образные одинарные мосты
(рис 3 37, а) применяют для измерения
сопротивлений на высоких частотах (до
30 МГц) Их преимущество заключается в
возможности заземления общей точки, в
которой соединены источник питания
моста, индикатор равновесия и одно из
сопротивлений (заземление позволяет
уменьшить влияние емкостных утечек в
схеме и упростить проблему экранирова¬
ния) Напряжение на зажимах индикатора
равновесия И, обладающего высоким со¬
противлением (Zh = оо), легко найти, пре¬
образовав треугольник сопротивления Zi,
Z3, Z4 в эквивалентную звезду Условие
равновесия мостаZj + Z3 + Z4 + Zj Z3 / Z2 = 0Измеряемое сопротивление Zx = Z4
можно выразить через известные сопро¬
тивления плеч моста Так, например, при
определении активного сопротивления Я*
МОСТОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ457а)Рис. 3.38. Схемы Т-образных
двойных мостов:а - принципиальная схема; б - измерение
RxnLxЯ индуктивности Lx катушки, включенной
в плечо Z4 (рис. 3.37, б), в другие плечи
включают сопротивления:Zx = Z3 = 1 /(усо С0) и Z2 = Rq,тогда Lx = 2/(ю2С0); Rx = 1/(®2Л0С02).Недостатком Т-образного одинарного
моста является необходимость использо¬
вания высокочастотных переменных со¬
противлений малого значения, создание
которых сопряжено с рядом трудностей.
Поэтому на практике чаще используют
Т-образный двойной мост.Условие равновесия Т-образного
двойного моста (рис. 3.38, а):Zx + Z3 + ZXZ3 /Z2 + Z{ + Z^ + Z{Z3 !Z\ = 0.Измерение активной gx и реактивной
, bx составляющих проводимости катушки
(Lx) (рис. 3.38, б) осуществляют методом
замещения, который позволяет уменьшить
влияние паразитных параметров на ре¬
зультат измерения. Условие равновесия
моста без измеряемой катушки при
Сп = СА и Со = Со:с1+Ь.сoLГ1СА +2С+—2-° с,Условие равновесия моста с подклю¬
ченной измеряемой катушкой:^ + gx=®2C2Rx1+-S.. с1.1со LЪг = соСУ0+2С + —
0 С,Значения gX9 Ъх определяются на ос¬
новании результатов двух измерений:gx=®2RxC2(C'2-C2)ICx-,ЬХ=4С'0-С’0).3.3.6. Цифровые мостыЦифровые мосты отличаются просто¬
той и универсальностью по сравнению с
цифровыми омметрами, содержащими
преобразователи сопротивления в проме¬
жуточные величины - напряжение, интер¬
вал времени, частоту. Различают цифро¬
вые мосты с диапазоном измерения сопро¬
тивления от нуля до некоторого макси¬
мального значения и с узким диапазоном
для измерения сравнительно небольших
отклонений измеряемого сопротивления
от номинального значения. Мосты узкого
диапазона используют для измерения не¬
электрических величин, а также для опре¬
деления отклонения в процентах от номи¬
нального значения.Мост автоматически приводится к
положению равновесия путем регулиров¬
ки сопротивления в одном или нескольких
плечах. Основными элементами цифрово¬
го моста (рис. 3.39) являются: измери¬
тельная схема - мост для сравнения зна¬
чений измеряемого сопротивления с об¬
разцовой мерой; цифроаналоговый пре¬
образователь, осуществляющий преобра-Рис. 3.39. Схема цифрового моста
458Глава 3 ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНзование кода, вырабатываемого схемой
управления в пропорциональное значение
сопротивления, уравновешивающего мост,
схема выбора диапазона измерения -
набор регулируемых резисторов, посред¬
ством которых устанавливаются необхо¬
димые сопротивления в плечах отношения
моста, сравнивающее устройство - вы¬
сокочувствительный релейный элемент,
определяющий состояние положения рав¬
новесия, цифровое отсчетное устрой¬
ство, осуществляющее индикацию ре¬
зультата измерения, устройство управ¬
ления, предназначенное для автоматиче¬
ского управления процессом уравновеши¬
вания моста и выдачи результата измере¬
ния на цифровое отсчетное устройствоИзмеряемое сопротивление подклю¬
чается к входным зажимам моста После
подачи команды на измерение устройство
управления вырабатывает сигналы на схе¬
му выбора диапазона измерения, посред¬
ством которой устанавливается диапазон
измерения, соответствующий значению
измеряемого сопротивления Затем коман¬
ды балансировки моста поступают с уст¬
ройства управления на цифроаналоговый
преобразователь По окончании процесса
уравновешивания моста устройство уп¬
равления подает на цифровое отсчетное
устройство информацию о значении изме¬
ряемой величины Ключи, коммутирую¬
щие сопротивления, выполнены на бес¬
контактных элементах3.4. РЕЗОНАНСНЫЕ МЕТОДЫ
ИЗМЕРЕНИЯ3.4.1. Общие сведенияРезонансные методы измерения па¬
раметров применяются главным образом
на высоких частотах для определения ин¬
дуктивности, емкости, активного и полно¬
го сопротивления, взаимной индуктивно¬
сти, добротности, частоты и других пара¬
метров ОК, которые проявляются на этих
частотах Методы основаны на оценке
влияния измеряемого параметра на коле¬
бательный контур, составленный из изме¬ряемого и образцовых элементовПринципиальная схема, реализующая
резонансный метод измерения (рис. 3.40а), состоит из генератора высокой частотьг
ГВЧ, измерительного колебательного кон¬
тура LC, содержащего образцовые и изме¬
ряемые элементы, и индикатора резонанса
PV Плавно изменяя частоту генератора,
добиваются ее совпадения с резонансной
частотой контура Момент резонанса оп¬
ределяют с помощью индикатора PV цо
его максимальному показанию, а резо¬
нансную частоту /о - по шкале ГВЧ. На¬
стройку контура в резонанс можно произ¬
вести и при фиксированной частоте
изменением параметров образцового эле¬
мента колебательного контура (например^
емкости QЗная резонансную частоту f0 и значе¬
ние параметра образцового элемента кон¬
тура после его настройки в резонанс,
можно определить измеряемый параметр
из соотношений/0 = 2^1с’С - 1 L - —
х 4я2/02L ’ * 4я2/02СНа рис 3 40, а представлена схема
последовательного резонансного контура,
в котором наблюдается резонанс напря¬
жений Аналогично рассмотренному при¬
меру для измерений может быть исполь¬
зован и параллельный резонансный кон¬
тур, в котором наблюдается резонанс
токовИндикатор не рекомендуется вклю¬
чать непосредственно в контур, так как
его сопротивление ухудшает добротность
последнего и снижает точность измере¬
ний Если в качестве индикатора применя¬
ется термоэлектрический миллиампер¬
метр, то его включают в специальную
цепь, слабо связанную с контуром при
помощи взаимной индукции (рис 3 40, б),
или в цепь генератора В последнем слу¬
чае максимум тока в контуре находят по
изменению тока в цепи генератора Ино¬
гда в качестве индикатора используется
РЕЗОНАНСНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ459ламповый вольтметр, измеряющий напря¬
жение на конденсаторе контураПри использовании резонансных ме-
.уодов измерительные схемы собираются
.03 отдельных элементов либо применяют¬
ся специально разработанные и выпускае¬
мые промышленностью приборы, осно¬
ванные на принципе резонанса, измерите¬
ля емкости, индуктивности, добротностиПогрешность измерения резонансных
методов зависит от многих причин, из ко¬
торых основными являются неточность
определения момента резонанса в колеба¬
тельном контуре, ошибка в определении
частоты генератора и изменение его час¬
тоты во время измерений, неточность из¬
готовления образцовых катушек и конден¬
саторов, наличие паразитных параметров
резонансного контура (вносимые в контур
сопротивления генератора и индикатора,
наличие собственной емкости катушки
индуктивности С, емкость и индуктив¬
ность соединительных проводов монтажа
элементов, как это показано на рис 3 40,
б).Применяются различные меры
уменьшения перечисленных погрешно¬
стей В зависимости от эффективности
этих мер и значения резонансной частоты
суммарная погрешность резонансных ме¬
тодов колеблется в широком диапазоне
(2 . 10%) Повышение точности измере¬
ний получают применением метода за¬
мещения Суть метода замещения состоит
в том, что после достижения резонанса
исследуемый элемент отключается, вместо
него подключается переменная образцовая
мера той же физической величины и под¬
бирается такое ее значение, при котором
опять наступает резонанс Найденное (за¬
мещенное) значение образцовой меры соот¬
ветствует искомому значению В этом слу¬
чае собственная емкость катушки, емкость и
индуктивность монтажа не вызывают ошиб¬
ки при измерениях, которая зависит только
от индуктивности выводов конденсатора,
от точности настройки в резонанс, от
ошибок градуировки переменного конден¬
сатора и нестабильности частоты генера¬
торагвч_хиса)ГВЧ3 (L°c° т с т с*т3б)Рис. 3.40. Схемы измерений
резонансным методом:а - принципиальная схема, б - схема
измерения емкостиВ результате измерений определяется
не действительное значение измеряемого
параметра, а его эквивалентное значение,
обычно настолько близкое к действитель¬
ному, что разницей между ними пренебре¬
гают Существует много способов измере¬
ния параметров цепей Рассмотрим неко¬
торые из них, имеющие принципиальное
значение3.4.2. Измерение емкости и
индуктивностиДля измерения емкости резонансным
методом может быть использована схема,
представленная на рис 3 41, а Контур,
составленный из образцовой катушки с
известными параметрами L0, Q, входной
емкости индикатора Свх и измеряемой ем¬
кости С*, настраивается в резонанс изме¬
нением частоты генератора Частоту резо¬
нанса fo определяют по максимальному
показанию электронного вольтметра PV
Вычисление Сх производится с учетом
того, что величина С, входящая в расчет¬
ную формулу, состоит из суммы
Cl + Сх + СвхС =14я2/о2£о~Сг —
460Глава 3 ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНг)Рис. 3.41. Схемы для измерения емкости
резонансным методомПрименение метода замещения по¬
зволяет устранить влияние на результат
измерения погрешности определения Lo и
паразитных емкостей Q и Свх и тем самым
повысить точность определения Сх Для
этого переменную образцовую емкость Со
включают параллельно или последова¬
тельно Сх Катушка индуктивности в этом
случае может быть любой, в том числе и
необразцовой Контур настраивают на
некоторую одну и ту же резонансную час¬
тоту Уо дважды - с включенной величиной
Сх и без нееСхема на рис 3 41, б применяется,
если Сх не выходит за пределы изменения
С0 Когда включены Сх и Со, изменением
частоты добиваются резонанса при значе¬
нии образцовой емкости Coi Затем от¬
ключают Сх и, не изменяя частоты пита¬
ния контура, регулированием Со до неко¬
торого значения С02 повторно добиваются
резонанса Очевидно, что измеряемая ем¬
кость Сх определяется как разностьСх - Со2 - CoiСхема на рис 3 41, в применяется
если Сх превышает пределы изменения с/
Резонансный контур без СХ9 но при наи¬
большем значении С0 = С01 изменением
частоты настраивается в резонанс Затем
включают Сх и (при неизменной частоте
питания) изменением С0 до С02 опять до.
биваются резонанса в контуре (С02 < С01)
Значение Сх рассчитывают по формулеС - ^01^02
С01 “ 0)2При данном способе измерения диа¬
пазон измеряемых емкостей и точность
измерения зависят от точности изготовле¬
ния образцовых конденсаторов и опреде¬
ления разности между C0i и С02Измерение индуктивности произво¬
дится аналогичными способами Однако
определяемые при этом значения эквива¬
лентной индуктивности катушек, как пра¬
вило, значительно отличаются от действи¬
тельной индуктивности вследствие боль¬
шой собственной емкости катушек Так,
например, если катушку с неизвестной
индуктивностью Lx (и собственной емко¬
стью Ci) включить в схему на рис 3 41, г,
то после определения резонансной часто¬
ты fo искомое значение определяется по
формулеL - \ х 4тт2/02 (С0 + Свх +CL)Для устранения влияния на результа¬
ты измерения Lx паразитных емкостей
и CL применяется метод замещенияПри измерении контур настраивается
в резонанс без измеряемой катушки и с
измеряемой катушкой Без измеряемой
катушки индуктивность контураL 1 к 4л2/02(С01+Свх)’где С01 - емкость образцового конденса¬
тора при настройке в резонанс контура без
измеряемой катушки
РЕЗОНАНСНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ461При измерении малых Lx катушку
дддуктивности следует включать после¬
довательно с образцовой катушкой В
#ом случае общая индуктивность контураLx+L*~ 4n2f02(C02 + CBX+CLyгде С02 “ емкость образцового конденса¬
тора при настройке в резонанс контура с
измеряемой катушкой
Поэтомут _ 1 Ol “ 0)2Lx + LK 4п2 С02а измеряемая
L =4n2f2(C02-C0i)4^ /о Ol 0)2При измерении больших Lx катушку
следует включать параллельно образцовой
катушке Общая индуктивность контура
при этомЬЛ, 1Рис. 3.42. График для определения
собственной емкости катушкиQ =_ Ol ~ (/о2 /Уо1 )2 0)2
(/02//0l)2-l1Зависимость /0 =системе координат2n^LK(CL + О)\14тг2/о2-ографи-При измерении индуктивности кату¬
шек необходимо следить, чтобы не было
связи между измеряемой катушкой и ка¬
тушкой контура, так как из-за нее может
возникнуть большая погрешность Для
уменьшения относительной погрешности
разность между значениями С01 и С02
должна быть как можно большеПри измерениях повышенной точно¬
сти необходимо производить отдельно
измерения индуктивности и собственной
емкости катушки Так как непосредствен¬
ное измерение собственной емкости ка¬
тушки невозможно, то параллельно ка¬
тушке включают переменный конденсатор
и при двух различных значениях его емко¬
сти С01 и С02 определяют резонансные
частоты /о\ и/о2 получившегося контураПри этом —^ = 4л2£к (Q)i + О,) и
/oi= 4л;2Z,K(C02 + CL) и, следовательно/02чески выражается прямой линиеи
(рис 3 42) Поэтому ее построение можно
провести по двум точкам, пользуясь двумя
парами полученных значений , Соi иУо2,
С02 Если прямую продолжить в область
отрицательных значений Со, то при—- = 0 и, следовательно, при С0 + CL =4я2/о= 0 она пересечет ось абсцисс и отсечет на
ней отрезок, величина которого численно
равна собственной емкости катушки Cl
По углу наклона прямой можно опреде¬
лить величину индуктивности катушки LK
без учета ее собственной емкости1L =4n2f2(CL + C0)Построенная прямая отсекает на оси
ординат отрезок, равный 1/(4я2/02) при
Q = 0, величина которого не определяет
собственной действительной резонансной
частоты катушки, так как на частотах, близ¬
ких к этой частоте, ее собственная емкость
изменяется с изменением частоты
462Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН3.4.3. Измерение активных
сопротивленийПри измерении активных сопротив¬
лений резонансным методом используют
несколько его вариантов.Рассмотрим в качестве примера из¬
мерение активного сопротивления Rx с
помощью схемы, представленной на
рис. 3.43. Для этого зажимы 7-7 замыкают
накоротко и настраивают ГВЧ на рабочую
частоту f0, при которой требуется опреде¬
лить активное сопротивление контура RK,
а затем с помощью переменной емкости
С0 настраивают контур в резонанс с гене¬
ратором.При резонансе напряжение Uc] на об¬
разцовом конденсаторе С0, определяемое
по показаниям вольтметра PV, равно:RK2nf0C0где Е = 2nfpMlr - ЭДС, наведенная в ис¬
следуемом контуре; fp - резонансная час¬
тота контура; М- взаимная индуктивность
между катушками L\ и Ь2\ /г - ток генера¬
тора, протекающий в катушке L\.Затем, не изменяя величины Е
(7Г = const) и частоты f0, после удаления
перемычки с зажимов 1-1 присоединяют к
ним известное образцовое активное со¬
противление Rq. В этом случае новое по¬
казание вольтметра равно:ил=-1Рис. 3.43. Схема измерения активного
сопротивления резонансным методомискомое сопротивление Rx и опять опре¬
деляют показания вольтметра PV:исз=-1Як +^.т 2л/0 С0
Значение Rx определяют из выраже¬ния:7? — RiU city cl -исз)Uc3{ucl-ис2) •*к +^0 2тс/о Со
Поделив UC2 на Uci, находят RK:R =R 4sl .u*-uc2После этого с помощью третьего из¬
мерения по схеме рис. 3.43 определяют
величину неизвестного сопротивления Rx
(мастичного и других сопротивлений на
высокой частоте). Для этого вместо сопро¬
тивления 7?о к зажимам 7-7 подсоединяютДругие методы измерения активного
сопротивления также основаны на произ¬
водстве нескольких измерений - при раз¬
ных емкостях Со или при разных частотах
и составлении уравнений, содержащих RK
или Rx.3.4.4. Измерение частотыРезонансным методом измеряют
также частоту. При этом контур, состав¬
ленный из катушки и образцового пере¬
менного конденсатора, связывают с ис¬
точником измеряемых колебаний так, что¬
бы в катушке L наводилась ЭДС.
(рис. 3.44). При помощи конденсатораj—®—
С L С-2L С:ЛВа)б)Рис. 3.44. Схемы резонансного волномера:а- с индикатором тока; б- с ламповым
вольтметром
РЕЗОНАНСНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ463контур настраивают по показаниям инди¬
катора в резонанс на измеряемую частоту.00 шкале конденсатора, проградуирован¬
ной непосредственно в значениях частоты,
или по градуировочной таблице опреде¬
ляют измеряемую частоту. Такие приборы
называются резонансными волномерами.3.4.5. КуметрыПриборы, измеряющие добротность
колебательных контуров, катушек индук¬
тивности, а также другие параметры элек¬
трических цепей - емкость конденсаторов,
индуктивность катушек, потери в диэлек¬
триках, коэффициент взаимной индуктив¬
ности, коэффициент связи между катуш¬
ками, полные сопротивления, затухание и
волновое сопротивление коаксиального
кабеля и т.д., называются измерителями
добротности или куметрами. Они яв¬
ляются универсальными приборами для
измерения параметров электрических це¬
пей на рабочих частотах и поэтому широ¬
ко распространены. Измерители доброт¬
ности относятся к группе Е, подгруппе 9
и обозначаются Е9 (например, Е9-4, Е9-5
и т.д.).Куметры работают на принципе ре¬
зонанса, и поэтому все показания отсчи¬
тываются только в момент резонанса.
Принципиально в приборах может быть
использован как резонанс напряжений, так
и резонанс токов. При применении в при¬
борах последовательного резонансного
контура с параметрами г, L, С, питаемого
напряжением С/о, добротность контура Q
можно определить, используя следующие
известные соотношения:Q=-1U, Ur2nf0Cr U0 UQМножитель Q
nAJ~^VRx-®T\ГВЧmH Q
PF <P\TJT*3C0:
JLгде pK = 4blC - характеристическое со¬
противление контура; x = 2n fob =- \l(2nf0C) - реактивное сопротивлениеемкости или индуктивности контура при
резонансе; fo - резонансная частота;Рис. 3.45. Схема куметраUL = Uc - напряжение на идеальной ка¬
тушке индуктивности и емкости при резо¬
нансе.Выражение, определяющее доброт¬
ность контура Q, подсказывает принципы
построения измерительного прибора. Так,
например, если поддерживать значение С/о
постоянным, то шкалу электронного
вольтметра можно отградуировать в зна¬
чениях добротности 2, так как его показа¬
ния пропорциональны напряжению С/с,
которое, в свою очередь, пропорциональ¬
но Q, так как С/с = U0Q.Принципиальная схема куметра изо¬
бражена на рис. 3.45. ГВЧ работает в ши¬
роком, плавно изменяющемся диапазоне
частот, и поэтому измерение исследуемых
параметров можно производить на их ра¬
бочей частоте. Безреактивное сопротивле¬
ние связи R0 позволяет питать контур от
ГВЧ напряжением С/о необходимой часто¬
ты / Питание контура от ГВЧ может осу¬
ществляться и через индуктивно-связан-
ные контуры (см. рис 3.40, 3.41). Измери¬
тельный колебательный контур составля¬
ется подключением к зажимам 1-2 и 3-4
исследуемых или образцовых параметров.
Напряжение С/с на зажимах переменной
образцовой емкости Со измеряется высо¬
кочастотным электронным вольтметром
PV, отградуированным в единицах напря¬
жения и добротности.На рис. 3.45 показан пример опреде¬
ления добротности катушки индуктивно¬
сти Ql, обладающей параметрами Lx и Rx.
Она включена в измерительный контур к
зажимам 1-2 последовательно с образцо¬
вым конденсатором Со. Так как входное
464Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНсопротивление вольтметра PV очень вели¬
ко, потери в конденсаторе С0 ничтожно
малы, а сопротивление связи R0 выбирают
очень малым (меньше 0,1 Ом), то активное
сопротивление контура в основном опре¬
деляется сопротивлением катушки Rx.
Контур настраивается в резонанс (при за¬
данной частоте генератора J) изменением
емкости Со по максимальному показанию
С/о вольтметра. При резонансе ток в кон¬
туре максимальный /р =U0/Rx, следова¬
тельно, падение напряжения на конденса¬
торе максимальное и равно:ис=1 р1ип2 nfC0 Rx2nfC0Учитывая, что при резонансе Хс = XL,
определим:иг=и(Xгде Ql = —— - добротность катушки приRxчастоте /Последнее выражение подтверждает
возможность градуировки шкалы вольт¬
метра в единицах Q при фиксированном
напряжении С/0. Это напряжение можно
изменить в некоторых пределах регулиро¬
ванием в самом ГВЧ, а его величину кон¬
тролируют с помощью чувствительного
электронного вольтметра либо, как пока¬
зано на рис. 3.45, косвенно - при помощи
термоэлектрического амперметра РА, из¬
меряющего ток /о через сопротивление R0
(при условии R0« Rx).Из выражений для Q видно, что рас¬
ширение пределов измерения добротности
можно производить посредством умень¬
шения С/0 или /о по сравнению с их номи¬
нальными значениями. Очевидно, что
уменьшение тока /0в« раз приведет к не¬
обходимости умножения показаний Q на
же число п. Так как шкала токов ампер¬
метра РА (см. рис. 3.45) практически не
используется, то ее градуировку произво¬
дят в множителях Q (ток меньше в два или
три раза), а величину добротности Q опре¬
деляют как произведение показаний, от¬считываемых по шкале добротностей вольт
метра PV и множителей амперметра РА.Для других измерений, а также д щ
поверки куметра к зажимам 7-2 (см
рис. 3.45) подключают образцовую ка¬
тушку Lq с известной добротностью. ДЛя
измерений в широком диапазоне частот
применяют набор разных образцовых ка¬
тушек.Добротность колебательного кон¬
тура Q определяется с помощью куметра
так же, как и QL, только к зажимам 3-4
(см. рис. 3.45) подключается еще конден¬
сатор Сх, а образцовый конденсатор С0
устанавливается в положение минималь¬
ной емкости. Настройка контура в резо¬
нанс осуществляется изменением частоты
генератора или, если это возможно, изме¬
нением Сх.Определение параметров R и L ка¬
тушки производят после определения ее
добротности Ql. При этом со шкал кумет¬
ра еще считываются показания резонанс¬
ной частоты f0 и значение С0.Реактивное сопротивление, индук¬
тивность и активное сопротивление ка¬
тушки Rx определяется по известным /0, С
И Ql-v 1 r _ 1 .2л/оС02и/о 4тг702С0QiНайденные значения Lx, RX9 Ql ка¬
тушки являются действительными на час¬
тоте Уо> т.е. параметрами схемы замещения
истинной катушки.Эквивалентная межвитковая емкость
катушки Cl измеряется с помощью кумет¬
ра следующим образом. Исследуемая ка¬
тушка присоединяется к зажимам 1-2
(см. рис. 3.45), образцовая емкость уста¬
навливается по значению (С0 = Он), и кон¬
тур настраивается в резонанс. Резонансная
частота f\ при этом связана с параметрами
контура:/.=12^Lx(C0l + CL)
РЕЗОНАНСНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ465Затем генератором устанавливается
частота fz > /ь и контур опять настраивают
в резонанс уменьшением образцовой ем¬
кости до значения Со = С02. При этом
справедлива зависимость:Л _ 12п^Ьх (С0 2 + Сi)Тогда выражение для собственной
емкости катушки:r /l2Ql ~~1 fl-fxЕсли^ = nfu то формула для Q при¬
нимает вид:^ _Ои-И2С02Ci= „м -Обычно измерения Q производят
при/2 = 2/;.Определение параметров конденса¬
тора - емкости С* и угла потерь 8 в его
диэлектрике производят также после двух
измерений.1. Контур составляют из индуктивно¬
сти образцовой (или вспомогательной)
катушки и максимальной емкости образ¬
цового конденсатора Соь настраивают в
резонанс и определяют по шкале кумет-
ра 01.2. К зажимам 3-4 (см. рис. 3.45), па¬
раллельно Со, подключают исследуемый
конденсатор и уменьшением образцовой
емкости контур вновь настраивают в резо¬
нанс при той же частоте. По шкалам ку-
метра отмечают значения С02 и 02-После этого определяют параметры
конденсатора:Ос = С0\ ~ 0)2 >V-01 С02ДЯ^2Погрешность измерения добротности
Q куметрами не превышает 5 %. Диапазон
измеряемых емкостей колеблется от не¬
скольких десятков до нескольких сотен
пикофарад, а индуктивностей катушек -
от десятых долей микрогенри до сотен
миллигенри.
Глава 4
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ4.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И
КЛАССИФИКАЦИЯТехническая реализация различных
электрических методов НК предполагает
решение проблемы электрического взаи¬
модействия средства контроля с контро¬
лируемым объектом - веществом, мате¬
риалом, заготовкой, деталью, узлом, изде¬
лием и т п При этом могут решаться две
основные задачи, одна из которых заклю¬
чается в передаче на объект тестового воз¬
действия, формирующего в нем необхо¬
димое для контроля электрическое поле, а
другая - в съеме с ОК измерительного
сигнала, несущего информацию о значе¬
ниях контролируемых параметров и, соот¬
ветственно, о техническом состоянии объ¬
екта Первая задача в обязательном поряд¬
ке решается при использовании электро-
параметрических методов, а вторая - при¬
суща всем электрическим методам НКПроблема электрического взаимодей¬
ствия средства контроля с ОК существует
также при технической реализации многих
других видов НК При этом решение про¬
блемы осуществляется путем реализации
электрического контакта, под которым в
строгом смысле (ГОСТ 14312-79) пони¬
мается соприкосновение тел, обеспечи¬
вающее непрерывность электрической
цепи Соприкасающиеся тела при этом
называют контактными элементами или
контакт-деталямиЭлектрические контакты широко
применяются также при создании средств
контроля, где они решают комплекс задач
коммутации элементов и блоков, передачи
информации при сканировании и т пСуществует ряд классификаций элек¬
трических контактов, основанных на ис¬
пользовании различных признаков По
роду соприкосновения элементов контак¬ты подразделяются на подвижные и не¬
подвижные, по геометрии контактируе-
мых поверхностей - на точечные, линей¬
ные и плоскостные, по кинематике отно¬
сительного перемещения элементов - на
скользящие, катящиеся и разрывные, по
конструктивным особенностям - на ще¬
точные, ползунковые, троллейные, разъ¬
емные, зажимные и др, по значению пе¬
редаваемых токов - на слабонагруженные
или слаботочные (токи порядка долей ам¬
пера), средненагруженные (токи порядка
единиц ампера) и высоконагруженные или
сильноточные (токи от десятков ампер и
выше) Обобщенная классификация элек¬
трических контактов, учитывающая оо
новные признаки, представлена на
рис 4 1Обычно контактными элементами
являются твердые тела, поэтому традици¬
онно электрический контакт ассоциирует-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕКОНТАКТЫНеподвижныеПодвижныеСкользящиеКоммутирующие
(разрывные)аяные, сварньк
клеевыеЗажимныеЩеточныеПолзунковыеТроллейныеРазъемныеРазрывныеслаботочные(релейные)РазрывныесильноточныеСS'-е-
ё як 53SpisР е? ^<ий CQРн« оIИса о
S я
<и се!о) я15Рис. 4.1. Классификация электрических
контактов
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ467сЯ с непосредственным механическим
взаимодействием деталей В то же время
электрическая цепь может замыкаться и
через электропроводящие жидкости и га¬
зы Следовательно, в общем случае схему
электрического контакта целесообразно
представить в изображенном на рис 4 2
виде, где между твердыми телами 1 и 2
присутствует некоторое третье тело В
зависимости от вида третьего тела под¬
вижные электрические контакты можно
подразделить на контакты с граничным
трением (роль третьего тела выполняют
самообразующиеся на поверхностях твер¬
дых контактных элементов граничные
пленки и тонкие пленки электропроводя¬
щих смазочных материалов), с жидким
трением (третье тело - вводимая в меж-
элементное пространство электропрово¬
дящая жидкость) и с газовым трением
(третье тело - газовая среда, например
воздух) Устройства, реализующие элек¬
трическое взаимодействие между телами
через слой электропроводящей жидкости
называют также жидкостными, а через
газовую среду - бесконтактными комму¬
тирующими устройствами или токо¬
съемникамиОсновными материалами, используе¬
мыми в неподвижных контактах, являются
медь (Си), алюминий (А1) и их сплавы,
возможно применение стали Для предот¬
вращения коррозии в случае использова¬
ния разнородных материалов на контакти¬
рующие поверхности часто наносят по¬
крытия (лужение, серебрение, кадмирова¬
ние, цинкование и т п )К числу требований, предъявляемых
к разрывным контактам, относятся низкое
и стабильное значение переходного кон¬
тактного сопротивления, высокие значе¬
ния электропроводности, теплопроводно¬
сти, устойчивость к электрической эрозии,
вызывающей износ контактных поверхно¬
стей из-за плавления и испарения металла
под действием электрической искры Для
надежной работы разрывного контакта
необходимы также высокие антикоррози-Окружающая среда
|^ср> РоРис. 4.2. Схема электрического контактаонные свойства, механическая прочность,
плохая привариваемость Поэтому базо¬
выми материалами для мало- и среднена-
груженных контактов являются золото
(Аи), серебро (Ag), платина (Pt), палладий
(Pd), вольфрам (W), рений (Re), родий
(Rh) и сплавы на их основе Для высоко-
нагруженных контактов применяются
Ag, Си и их сплавыРеализация контактного взаимодей¬
ствия между неподвижными деталями не
представляет большой сложности, хотя в
зависимости от конструктивных особен¬
ностей ОК, решаемой задачи и используе¬
мого метода НК имеет свою специфику
Эта специфика рассматривается при изло¬
жении материала по каждому из методов
НК В данной главе более подробно
освещаются общие подходы и пути решения
задачи обеспечения надежного электриче¬
ского контакта с перемещающимися эле¬
ментами При этом в качестве этих элемен¬
тов рассматриваются как подвижные дета¬
ли ОК, так и ОК в целом
468Глава 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ4.2. СКОЛЬЗЯЩИЕ КОНТАКТЫ С
ГРАНИЧНЫМ ТРЕНИЕМ4.2.1. Параметры, характеристики и
конструкции контактовНа рис. 4.2 представлена схема
скользящего контакта, составленная на
основе анализа совокупности механиче¬
ских и физико-химических процессов и
факторов.К числу основных электромеханиче¬
ских и фрикционных параметров скользя¬
щего контакта относятся:- плотность тока (J) и напряжение
(U) коммутируемой цепи;- скорость (У) относительного пере¬
мещения поверхностей;- нагрузка (F) в контакте.На работу скользящего контакта ока¬
зывают влияние некоторые внешние фак¬
торы (характеристики окружающей сре¬
ды), наиболее существенными из которых
являются:- температура (0);- химическая активность (цср);- давление (р0).К числу выходных эксплуатационных
характеристик скользящего контакта от¬
носятся:- переходное контактное сопротив¬
ление (Дт);- интенсивность изнашивания (Д);- коэффициент трения (fTp);- интенсивность отказов (А,0т);- уровень генерируемой ЭДС (в/).Рис. 4.3. Схемы подключения щетокв контактных токосъемникахПри этом значение и стабильность
переходного контактного сопротивления
Rm определяют способность скользящего
контакта передавать электрическую энер¬
гию и сигналы измерительной информа¬
ции без искажений и потерь, интенсив¬
ность изнашивания Ih характеризует дол¬
говечность контакта, коэффициент трения
fTр определяет уровень механических по¬
терь, интенсивность отказов ^от характе¬
ризует надежность коммутации, а уровень
генерируемой ЭДС s, - помехи, создавае¬
мые скользящим контактом.Конструктивное исполнение сколь¬
зящих контактов может быть различным,
что особенно характерно для слаботочных
контактов. При электрическом взаимодей¬
ствии с вращающимися объектами наибо¬
лее распространенными конструкциями
являются ’’щетка - коллектор” и ’’щетка -
контактное кольцо”. В первом случае раз¬
нополярные щетки скользят по одной до¬
рожке трения, а во втором - по разным
кольцам. При передаче информации толь¬
ко одной полярности используют обычно
одно контактное кольцо. В некоторых
случаях контактные кольца не применяют,
а щетка взаимодействует непосредственно
с электропроводящей перемещающейся
деталью ОК или деталью (например, ва¬
лом), на которой закреплен ОК.Наиболее распространенным конст¬
руктивным исполнением щетки является
брусок - прямоугольный параллелепипед
или цилиндр. Щетка обычно взаимодейст¬
вует с цилиндрической поверхностью вра¬
щающейся детали или кольца (рис. 4.3).
Одним из факторов, влияющих на износо¬
стойкость контакта, является скорость V
относительного перемещения контактных
элементов (см. рис. 4.2), причем с рос¬
том V интенсивность изнашивания также
возрастает. Для повышения долговечности
путем снижения V используют торцевые
токосъемники, в которых щетка выпол¬
няется в виде заостренного стержня -
иглы, расположенного соосно с вра¬
щающейся деталью и контактирующего
либо непосредственно с ее торцевой по¬
верхностью (рис. 4.4), либо с торцевой
СКОЛЬЗЯЩИЕ КОНТАКТЫ С ГРАНИЧНЫМ ТРЕНИЕМ469Рис. 4.4. Торцевой контактный
токосъемник с отводом щетки:1 - вал; 2 - щетка; 3 - шток; 4 -кронштейн;5 - направляющие; 6 - зубчатая рейка;7 - зубчатое колесо; 8 - пружинаповерхностью закрепленного на ней дис¬
ка. При работе такого устройства скорость
относительного перемещения контактных
элементов мала, однако фактическая пло¬
щадь контакта также невелика (контакт
точечный), что ограничивает область при¬
менения токосъемных устройств этой кон¬
струкции реализацией слаботочных
контактов.Неподвижный контактный элемент
выполняется либо в виде щупа, с помо¬
щью которого контролер вручную осуще¬
ствляет электрический контакт закреплен¬
ной на щупе щетки с вращающимся кон¬
тактным элементом, либо в виде более
сложной конструкции щеточного узла,
обеспечивающей его стационарное креп¬
ление на неподвижных элементах конст¬
рукции и прижим щетки с заданным уси¬
лием к подвижному контактному элемен¬
ту.На рис 4.5 представлен пример щупа,
используемого при экспресс-контроле
трибосопряжений в условиях ограничен¬
ного доступа к вращающимся деталям.
Посредствам гайки 2 цангового зажима
осуществляется крепление подпружинен¬
ной щетки 3 в держателе 7. Оператор
вручную фиксирует щуп за электроизоля¬
ционное основание 4 и прижимает щетку 3
к вращающему контактному элементу. На
Рис. 4.6 приведен пример кон структивно-Рис. 4.5. Щуп для реализации
скользящего контакта:1 - держатель; 2 - гайка; 3 - щетка;4 - диэлектрическое основаниего исполнения стационарного токосъем¬
ника, в котором диэлектрическое основа¬
ние 1 крепится к конструктивным элемен¬
там ОК с помощью винтов 6, а щетки 3
прижимаются к вращающейся детали объ¬
екта посредствам плоских пружин 2.При электрическом взаимодействии с
объектами, осуществляющими поступа¬
тельное перемещение, используются кон¬
такты типа "вставка пантографа - кон¬
тактный провод” или ’’башмак - контакт¬
ный рельс”. Условия работы указанных
устройств аналогичны. Их различие за¬
ключается в том, что в первом случае один
из контактных элементов (провод) не яв¬
ляется жестким и создаваемое усилие F в
контакте зависит от формы, которую он
принимает, будучи подвешенным между
опорами.Рис. 4.6. Токосъемник стационарный
с отводом щеток:1 - диэлектрическое основание; 2 - плоские
пружины; 3 - щетки; 4 - кулачок; 5 - рукоятка;
6 - установочные винты
470Глава 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ4.2.2. Триботехнические аспекты
электрических контактовКонструктивное многообразие при¬
меняемых контактов, образованных твер¬
дыми телами, сводится к формированию
на поверхностях их раздела участков, в
пределах которых возможно прохождение
электрического тока.На металлических поверхностях кон¬
тактных элементов с исходной структурой
(зона 1 на рис. 4.7) в процессе обработки
формируется подповерхностный слой ме¬
талла с деформированными кристалла¬
ми 2, а сразу после обработки - пленки
окислов 3, которые воспроизводят микро¬
рельеф. При взаимодействии поверхности
с воздухом и со смазочным материалом за
счет физической адсорбции или химиче¬
ских реакций на пленках окислов образу¬
ется граничный слой. Толщина этого слоя,
состоящего из адсорбированных молекул
влаги, газов и смазочного материала, со¬
измерима с высотой неровностей профиля,
а структура может несколько различаться
в зависимости от химического состава и
свойств материалов. Вследствие сил Ван-
дер-Ваальса полярные молекулы смазоч¬
ного материала образуют упорядоченную
структуру 4, так называемую "щетку”.
Близлежащие к поверхности молекулы
также ориентируются в поле металла, об¬
разуя граничный смазочный слой 5.При взаимодействии контактных
элементов, в общем случае, возможна уп-г г г г г г г г г г г г г г
rrrrrrrrrrrrrrr
титтттттт "Рис. 4.7. Структура поверхностного слояРис. 4.8. Схема контакта поверхностей
твердых тел при граничной смазкеругая и пластическая деформация микро¬
выступов рабочих поверхностей, а также
их взаимное внедрение без разрушения
мономолекулярного слоя (ситуация а на
рис. 4.8). При этом на наиболее нагружен¬
ных площадках происходят нарушение
сплошности граничного слоя и возникно¬
вение адгезионного взаимодействия меж¬
ду оксидными поверхностными пленками
контактирующих поверхностей (ситуацияб) или разрушение оксидных пленок с
формированием ювенильных металличе¬
ских контактов наиболее высоких микро¬
неровностей (ситуация в). Слабо нагру¬
женные неровности поверхностей контак¬
тирующих элементов в этом случае разде¬
лены полимолекулярным граничным сло¬
ем (ситуация г). В результате лишь неко¬
торые участки зоны контакта твердых тел
являются электропроводящими.На рис. 4.9 представлена обобщенная
схема контактной зоны твердых тел. В
связи с отклонениями профилей рабочих
поверхностей от идеальной геометриче¬
ской формы вводятся понятия номиналь¬
ной (условной), контурной и реальной
(эффективной или фактической) площа¬
дей контакта. При этом условная площадь
соответствует площади проекции номи¬
нальных габаритов меньшей из контакти¬
рующих деталей, контурная - определяет¬
ся размерами герцевских площадок, обу¬
словленных упругой деформацией дета¬
лей, а фактическая (ФПК) - действитель¬
ными площадками контактов микронеров¬
ностей. Характерно, что, с одной стороны,
не вся ФПК электропроводна (возможно
наличие непроводящих пленок), а с ДрУ"
гой стороны, наряду с участками чистого
СКОЛЬЗЯЩИЕ КОНТАКТЫ С ГРАНИЧНЫМ ТРЕНИЕМ471металлического электрического контакта
ймеют место участки квазиметаллическо-
г0 контакта через тонкие туннельно-
проводящие пленки, окружающие пятна
реального контакта. Поэтому в первом
приближении допускается А!г « Аг.При относительном перемещении
контактных элементов величина площади
реального электрического контактирова¬
ния определяется вероятностно-статис-
хическим характером взаимодействия ее
отдельных участков, а общая величина А\.
не постоянна. Следствием этого являются
непрерывные во времени флуктуации пе¬
реходного контактного сопротивления Rm
скользящего контакта. Нестабильность
значений Rm - одна из основных причин
шума и искажений коммутируемых сигна¬
лов в слаботочных контактах устройств
токосъема средств НК.Еще одной причиной искажения сиг¬
налов измерительной информации в
скользящих контактах являются проте¬
кающие в зоне трения процессы электро¬
физической и электрохимической приро¬
ды, обусловленные разнородностью мате¬
риалов контактирующих элементов (кон¬
тактная электризация) - термоэлектриче¬
скими, гальваноэлектрическими и други¬
ми процессами. В результате скользящий
контакт характеризуется не только значе¬
нием переходного контактного сопротив¬
ления Rm, но и другими электрическими
параметрами, прежде всего - генерируе¬
мой контактом ЭДС 8/? а в ряде случаев и
электрической емкостью Ст.На рис. 4.10 и 4.11 представлены
примеры элементарных контактных ячеек
(а) и эквивалентных схем замещения кон¬
тактов (б), соответственно, при сухом тре¬
нии контактных элементов и трении со
смазкой. В схемах на рис. 4.10 действуют
только термоэлектрические источники
ЭДС, создающие общий ток /, в случае
подключения внешнего сопротивления R0,
при этом общее сопротивление дискрет¬
ного контакта Rm определяется сопротив-Рис. 4.9. Схема контактной
зоны твердых тел:Аа - номинальная площадь контакта;
Ас- контурная площадь контакта;Аг - фактическая площадь контакта (ФПК);
А'г - ФПК, проводящая электрический тока)б) в)Рис. 4.10. Элементарная контактная
ячейка (а), схема замещения фрикционно¬
го контакта (б) и его обобщенная схема (в)
при отсутствии смазочной среды:/, II - контактирующие тела; е, - термоэлек¬
трические источники ЭДС; /„ элементарные
и общий термотоки; г,— сопротивление
областей стягивания; Rq - сопротивление
внешней нагрузки
472Глава 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫа)б) в)Рис. 4.11. Замкнутый участок системы
"металл (Г) - электролит (III) - металл (//)"
(а), электрическая схема замещения
фрикционного контакта (б) в присутствии
смазочной среды и схема замещения с уче¬
том граничных слоев (в):
в/, вg - значения термоЭДс и гальваноЭДС;
Rm> Re - сопротивления металла и электролита;
С - емкость фрикционного конденсатора;L - индуктивность нагрузки; / фу/, //Ф///,/ф /// - потенциалы, возникающие между
участками системы: металл (Г) - электролит
(III) - металл (II)лениями стягивания г, отдельных пятен
контакта и их общим числом п„\пп1а общая ЭДС (в,) в контакте - значениями
термоЭДС (£/) и проводимости (g,) облас¬
тей стягивания:Пп£,=X£'^/Zg'-
1 1Это позволяет представить электри¬
ческий контакт также в виде обобщеннойсхемы замещения, состоящей из одного
сопротивления Rm и одного источника
ЭДС г, (рис. 4.10, в).При наличии смазочного материала
между контактирующими поверхностями
кроме термоЭДС в зоне трения действует
также ЭДС элементарных гальванических
пар, которые образуются участками ме¬
таллических поверхностей, разделенных
смазочным материалом (рис. 4.11). Экви¬
валентная электрическая схема контакта в
данном случае включает параллельную
цепь, состоящую из сопротивления сма¬
зочного материала Re и его емкости С.
С учетом неоднородности смазочного ма¬
териала в схему вводятся три последова¬
тельно включенных цепи: цепь гранично¬
го слоя на поверхности первого тела, цепь
объемного слоя смазочного материала и
цепь граничного слоя у поверхности вто¬
рого тела. Каждая из этих цепей содержит
параллельно соединенные резистор и кон¬
денсатор (соответственно, Re\ и Q, Rel и
СЪ КеЪ И С3).Следует отметить, что переходное
контактное сопротивление является одной
из основных эксплуатационных характе¬
ристик скользящего контакта, а генери¬
руемая им ЭДС - помехой, способной су¬
щественно исказить коммутируемый сиг¬
нал (в частности, сигнал измерительной
информации) и, таким образом, негативно
влияющей на результаты контроля. Значе¬
ния контактного сопротивления и ЭДС во
многом определяются типом используе¬
мых для контактных элементов материа¬
лов. Так, например, пара графит - сталь
обеспечивает сопротивление 0,01 ... 0,1
Ом при значении генерируемой ЭДС по¬
рядка 0,1 мВ; пара медь - медь - соответ¬
ственно 0,01 Ом и 0,06 мВ, а пара медь -
сталь - 0,05 Ом и 0,2 мВ.4.2.3. Материалы для скользящих
контактовПри изготовлении контактов исполь¬
зуются различные материалы. Наиболее
СКОЛЬЗЯЩИЕ КОНТАКТЫ С ГРАНИЧНЫМ ТРЕНИЕМ473широко применяются металлические ма- трофизические характеристики чистых
сериалы, которые отличаются высокой
тепло- и электропроводностью и наилуч-
щим образом сочетают свойства, необхо¬
димые для передачи электрического тока с
наименьшими потерями. В табл. 4.1 пред¬
ставлены физико-механические и элек-проводниковых материалов, широко при¬
меняемых для изготовления контактных
элементов.В слаботочных скользящих контактах
(ССК), являющихся наиболее распростра¬
ненными в системах РЖ, контактные давле-4.1. Основные свойства проводниковых контактных материаловМатериал~нАВОSочсо<L>ЕГ <иЯ Я& жи ч<L> 3 „м а °оS g 2<L> О .О О, _X И CLЛ О -Й ° ?й w 55 о i>» м ОЛSОЯесОCQО ^
С о§ 3
5^Н CQои£ |8 §а, я<L> яи а,Н шЬн £>я& « й
н я 5s В яIf &h § ояноI»I?R Ы
Й> «в
3 СS 5Температура,°СНапряжение,ВРазмягченияПлавленияРазмягченияПлавления54017730,250,6510010630,080,43-2450---1554-0,571809600,090,37100033900,41,119010830,120,43-3650251506570,10,3-29,8---321-0,15-1495--90026200,250,7552014520,220,65100232--2003270,120,191704190,10,1719661966--14003170--50015400,210,6ПлатинаЗолотоИридийПалладийСереброВольфрамМедьГрафитАлюминийГаллийКадмийКобальтМолибденНикельОловоСвинецЦинкРодийРенийЖелезо21,419.322.4
12,010.519.38.9
1,82.75.9
8,6
7,87
10,08.87.311.3
7,112.4
21,0
7,811.7
2,35.510.8
1,655.5
1,75
700
2,9
53,47.59.75.8
8
12
21
6,14.5
9,7110703106070418190380160210339069
14070
64
35
110
88
75
60402017032
25
350
35
35
2716125250704433
55
250
670,00380,0040,00390,00330,0040,0050,0040,00130,0040,0040,0040,00660,00450,0050,00450,0040,00370,00430,0070,00651,540,845,31,20,753.5
1,20,030,720,62,13.5
2,1
0,4
0,16
0,843.0
4,72.0
474Глава 4 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫПродолжение табл. 41МатериалПлотность, т/м3Удельное электричес¬
кое сопротивление,
Ом м, р 108Т еплопроводность,
Вт/(м °С)Твердость по
БринеллюТемпературный
коэффициент
сопротивления, °С-1Модуль упругости,
МПа, Е 10'5Темпер°Сатура,Напряжение,ВРазмягченияПлавленияРазмягченияПлавления jМарганец7,46164-----1245--Хром7,02067900,0029,0-1615--Ртуть13,55949-0,0092--38,7--Тантал16,614545400,0031,980029960,31,0Рутений11,567,16-1930,00464,2-2500--Осмий22,59,66--0,00425,6-2700--Индий7,38,22410,0049--156--Гафний1,344-----2222--Окиськадмия0,69600--------ния и плотность тока, как правило, невы¬
сокие Поэтому при отсутствии сущест¬
венной электрической эрозии основной
эксплуатационной характеристикой кон¬
такта является стабильность переходного
контактного сопротивления Этому требо¬
ванию удовлетворяют благородные ме¬
таллы и их сплавы (серебро, золото, ме¬
таллы платиновой группы), которые обла¬
дают высокой электропроводностью и
стойкостью к окислению Ввиду высокой
стоимости указанных металлов они часто
используются в качестве покрытий на
цветных металлах и сплавах (медь, бронза,
латунь) Вместо серебра используют так¬
же палладий, а в некоторых специальных
случаях применяют покрытия из рения
В табл 4 2 представлены характеристики
некоторых широко используемых в слабо-
точных контактах сплавовДля изготовления контактных колец
и коллекторных пластин часто используют
медь и ее сплавы Наиболее распростра¬
ненным материалом является электротех¬ническая медь Ml, образующая в контакте
с углеграфитовыми щетками сложную по.
строению пленку, называемую "политу¬
рой”, которая во многом определяет ком¬
мутирующую способность контактов, пе¬
реходное контактное сопротивление и
износостойкость элементов При работе в
условиях повышенной температуры (до
155 °С ) используются бронза проводни¬
ковая с присадками серебра МС0,1, а наи¬
более универсальными характеристиками
обладает магниевая бронза БрМгО,2, кото¬
рая может применяться при длительной
работе с температурой до 230 °С Еще
большую температурную стойкость име¬
ют хромистая БрХ0,7 и циркониевая
БрЦрО,2 бронзы Хорошими характери¬
стиками в области износостойкости, кор¬
розионной устойчивости при достаточно
высокой электропроводности обладают
кадмиевая и бериллиевая бронзы В пол-
зунковых контактах применяется фосфо¬
ристая бронза и латунь Л63 или ЛС59-1.
4.2. Свойства контактных сплавовСостав сплава, %Плот¬ность,кг/м3Удельное
электриче¬
ское сопро¬
тивление,
Ом м, р 108Темпера¬
турный
коэффици¬
ент сопро¬Тепло¬провод¬ность,Вт/(м°С)Модульупругости,МПа,Е 1(Г5Твер¬
дость по
Бринел-
люТемпера¬
тура
плавле¬
ния, °СПределыдугообра-зованиятивления,°СГ1ВАСеребро-медь 97/310 5001,80,0035390-40900--Серебро-медь 50/509 7002,10,003340-70730--Серебро-золото 90/10114003,60,0016196-23-110,25Серебро- золото 20/8016 5009,40,0009--251035140,4Серебро-золото-палладий40/30/3012 90022-34-65---Серебро-кадмий 95/510 4502,950,004--35940--Серебро-кадмий 80/20101005,70,002--60875100,3Серебро-палладий 95/510 5003,8--0,91026---Серебро-палладий 40/6011400420,00025201,250-1330-0,5Серебро-платина 95/510 8804,650,002330-99---Серебро-платина 70/3012 540200,0002--170---Золото-никель 95/518 30012,30,0007--100-150,38СКОЛЬЗЯЩИЕ КОНТАКТЫ С ГРАНИЧНЫМ ТРЕНИЕМ 475
Продолжение табл. 4.2Состав сплава, %Плот¬ность,кг/м3Удельное
электриче¬
ское сопро¬
тивление,
Ом • м, р • 108Темпера¬
турный
коэффици¬
ент сопро¬
тивления,
°С-1Тепло¬провод¬ность,Вт/(м-°С)Модульупругости,МПа,Е • 10"5Твер¬
дость по
Бринел-
люТемпера¬
тура
плавле¬
ния, °СПределыдугообра-зованияВАЗолото-палладий 99/119 3003,00,004--20---Золото-платина 93/719 60010,2-70-401080--Золото-платина 70/3019 90034---135---Золото-серебро-медь 70/20/1014 30013,2---114---Золото-серебро-никель 70/25/515 40011,850,0009--801080--Золото- серебро-платина 69/25/616 10014,9-55-112---Палладий-медь 95/51140021,60,0013--60---Палладий-медь 60/4010 600350,0003238-80--0,6Палладий-серебро-кобальт60/35/511 10040,80,00014-1,300192---Платина-никель 95/523 000200,00188-1,000135———Платина-родий 90/1020 00019,20,0018-1,50090---Платина-иридий 95/521500100,00242-1301800--Медь-кадмий 99/18 9002,6---345---Латунь8 50070,001538-90-201ДСеребро-никель 90/1010 1001,80,0035--90961--Серебро-никель 60/409 5002,7- 0,002310-115961--476 Глава 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ
4.3. Номенклатура, и основные свойства проводниковых материалов для коллекторов и контактных колеиМарка сплава, металлаМедь MlМедь металлокерамиче¬
ская ММКМедь-серебро МС0,1Медь-магний БрМгО,2Медь-кадмий БрКд!Медь-хром БрХ0,7Медь-хром-цирконийБрХ0,ЗЦр0,2Медь-цирконийБрЦрО,2Коррозионная сталь
Х18Н9Т (полосы)Чугун СЧ18-36Оловянистая бронза
БрОЦС4-4-25Основные
компоненты,
мае. %Электрическая
проводимость
(%, от прово¬
димости меди)Си 99,9Си 99,9AgO,07... 0,14,
Си остальноеMg 0,1 ...0,35
Си остальноеCd 0,9 ,L.2Си остальное
Сг 0,4... 1,
Си остальноеСг 0,2 ...0,4
Zr 0,15 ...0,35,
Си остальноеZr 0,2 ... 0,4,
Си остальноеСг 17 ... 19,№8 ...9,5Мл 10....20,Ti 5 ..,• 0,7,Fe остальноеSn3 ...5, Zn3 ... 5,
Pb 1,5 ...3,5,Си остальноеФизико-механические свойства (не менее)100859680807580852,615Предел проч¬
ности при
растяжении,
МПа250250250270270380450350550180550Твердость по
Бринелля8070859095110120100160170160Температура
начала
разупрочне-
ния, °С155 ... 170250240260250325450350400Предельные температу-
ры, °С (не выше)Рабочаядлительная160180220235230270350250600600350При пайке,
кратковре¬
менная250300300350350425600450680680400СКОЛЬЗЯЩИЕ КОНТАКТЫ С ГРАНИЧНЫМ ТРЕНИЕМ 477
478Глава 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ4.4. Основные свойства электроосажденных контактных покрытийПокрытиеМаркаТвердость по
Виккерсу при 20 °С
(не менее)Электрическая проводимость,(%, от проводимости меди, не менее)
при температуре, °С20100300Хром молочныйХм75012106Хром блестящийХб120012106ПалладийПд30015117,5РодийРд800362515Никель анодныйНа15025157Для троллеев используют твердотя¬
нутую медь фасонного профиля, кадмие¬
вую и магниевую бронзы с проводимо¬
стью, составляющей 80 ... 85 % от прово¬
димости меди.Выпускается большая номенклатура
металлических проводниковых материа¬
лов для производства скользящих элек¬
трических контактов. В табл. 4.2 и 4.3
приведены основные характеристики наи¬
более распространенных из этих материа¬
лов, а в табл. 4.4 - свойства покрытий,
применяемых с целью улучшения харак¬
теристик скользящего контакта.При изготовлении скользящих кон¬
тактов металлы применяют, в основном,
только для одного из элементов (для кон¬
тактных колец, коллекторных пластин и
т.п.). В качестве материалов для легко за¬
меняемых контактных элементов (щеток)
широко применяют многокомпонентные
самосмазывающиеся композиции. Боль¬
шинство этих материалов получают мето¬
дами порошковой металлургии, угольной
керамики или горячего прессования в раз¬
мер из порошков угля, графита, сажи, ме¬
ди, серебра, их окислов и т.п. Для обеспе¬
чения формуемости материалов в них до¬
бавляют связующие вещества - каменно¬
угольные пеки и смолы, смеси этих ве¬
ществ и смеси пеков с антраценовым мас¬
лом. Применение современных техноло¬
гий обеспечивает возможность получения
высокой плотности производимого мате¬риала (до 99 %).Графит, уголь и другие углеродистые
вещества, входящие в состав композици¬
онных материалов, обеспечивают хорошие
коммутирующие свойства, сравнительно
низкие трение и коэффициент линейного
расширения, высокую химическую стой¬
кость и удовлетворительные электро- и
теплопроводность. За счет изменения схе¬
мы технологического процесса получения
материалов и соотношения компонентов в
их рецептуре создана большая номенкла¬
тура самосмазывающихся материалов с
различными эксплуатационными характе¬
ристиками (табл. 4.5 и 4.6). Типы и разме¬
ры изготовляемых электрощеток регла¬
ментируются ГОСТ 12232-89.У гл еродосодержащие контактные
материалы имеют также и недостатки, к
числу которых относится зависимость
контактных характеристик от параметров
окружающей среды, прежде всего, темпе¬
ратуры и влажности. В целях устранения
указанного недостатка разработан ком¬
плекс специальных материалов для рабо¬
ты в экстремальных условиях: сухая и
разреженная атмосфера; условия высокого
вакуума; среда инертных газов; высокие и
низкие температуры; ионизирующее излу¬
чение; агрессивная среда; высокие скоро¬
сти скольжения и т.п. Проблема решается,
в основном, за счет модификации обыч¬
ных материалов путем пропитки, введения
функциональных добавок, изменения сос-
СКОЛЬЗЯЩИЕ КОНТАКТЫ С ГРАНИЧНЫМ ТРЕНИЕМ4794.5. Групповая классификация щеточных материалов—Номерклас¬саКлассГруппа (подкласс)Исходные материалы и процесс изготовленияА. С высоким со¬
держанием меди
(> 75 %) и с леги¬
рующими добав¬
камиПорошки графита, меди, свинца и олова. Смеше¬
ние без связующих веществ, прессование, спека¬
ние при температуре ниже 1 ООО °СБ. С повышенным
содержанием ме¬
ди (50 ... 75 %) и
с легирующими
добавкамиПорошки графита, меди, свинца и олова. Смеше¬
ние, прессование, спекание при температуре ни¬
же 1000°С1Металло¬гра¬фитныйВ. С высоким со¬
держанием меди
(75 %)Порошки графита и меди. Смешение без свя¬
зующих веществ, прессование, спекание при тем¬
пературе ниже 1000 °СГ. С повышенным
содержанием ме¬
ди (50 ... 75 %)То жеД. С пониженным
содержанием ме¬
ди (до 50 %)Порошки графита и меди. Смешение с неболь¬
шим количеством связующих веществ, прессова¬
ние, спекание при температуре 1000 °СЕ. С малым со¬
держанием меди
(около 10 %)Графит с небольшой добавкой медного порошка
(катализатора). Прессование, спекание при тем¬
пературе ниже 1000 °СУгольно-графит¬ныйА. Средней твер¬
достиПорошки графита и других углеродистых мате¬
риалов (технический углерод, кокс). Смешение
со связующими веществами (пек, смола), прессо¬
вание, спекание при температуре выше 1000 °С2Б. Повышенной
твердостиПорошки углеродистых материалов (технический
углерод, пек) с примесью графита. Смешение со
связующими веществами (смола, пек), прессова¬
ние, спекание при температуре выше 1000 °СЭлектро-графи-тиро-А. МягкаяТо же, что графитные щетки (2А), но подверга¬
ются процессу электрографитации, т.е. термиче¬
ской обработке при 2500 ... 2800 °С3Б. Средней твер¬
достиТо же, что угольно-графитные щетки (2А и 2Б),
но подвергаются процессу электрографитации.ванныйВ. ТвердаяТо же, что твердые угольно-графитные щетки
(2Б), но подвергаются процессу электрографита¬
ции
480Глава 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫПродолжение табл. 4 5Номерклас¬саКлассГруппа (подкласс)Исходные материалы и процесс изготовленияА. Графитная
(обычная)Порошок графита. Смешение со связующими
веществами (смола, пек), прессование при темпе¬
ратуре выше 1000 °СГрафит¬ныйБ. Натурально¬
графитнаяПорошок графита. Большей частью прессуется
без связующих веществ и без спекания, иногда
прибавляется немного связующих веществ (смо¬
ла, бакелит), и материал спекается при темпера¬
туре 200 ... 500 °С4В. ВысокоомнаяПорошок графита. Смешение со связующими
веществами (обычно бакелит), прессование, спе¬
кание при температуре около 200 °СГ. АбразивнаяПорошок графита с примесью абразивного веще¬
ства (иногда также с примесью различных угле¬
родистых материалов). Смешение со связующи¬
ми (смола, бакелит) и без связующих веществ
(аналогично материалам ЗБ прессование, спека¬
ние при температуре от 200 до 1000 °С и выше)состава ингредиентов и т.п. Так, напри¬
мер, в материалы для скользящих элек¬
трических контактов, работающих при
повышенных температурах (373 К и вы¬
ше), вводят сульфиды металлов группы
хрома, хлорокись фосфора, а материалы,
работающие при температурах ниже
273 К, пропитывают растворами полиме¬
ров, в частности, полиизобутилена.Наряду с традиционными самосма-
зывающимися материалами находят при¬
менение щетки из материалов, изготовлен
принципиально иным способом. В качест¬
ве примеров могут служить: металлопо¬
лимерные щетки, представляющие собой
многослойный пакет спиралеобразно уло¬
женной металлической фольги, отдельные
слои которой соединены электропровод¬
ным полимерным адгезивом; волокнистые
щетки, состоящие из углеродных и метал¬
лизированных волокон; материалы на ос¬
нове металлической матрицы и полифунк-
ционального наполнителя; щетки на осно¬ве металлизированных частиц твердых
смазочных материалов, например, на ос¬
нове посеребренного графита.4.2.4. Пути повышения
работоспособности слаботочных
скользящих токосъемниковОдной из наиболее важных задач,
возникающих при реализации электриче¬
ских методов НК, является задача обеспе¬
чения достаточной надежности токосъем¬
ников. Это обусловлено тем, что при кон¬
троле токосъемник оказывается включен¬
ным в электрическую цепь последова¬
тельно с объектом, и изменение значении
контролируемых параметров вследствие
нестабильности характеристик токосъем¬
ника может быть принято за изменение
состояния ОК. В этой связи становится
очевидной необходимость решения задачи
снижения влияния токосъемника на ре¬
зультаты контроля.
I.. ■■■■ • J —■ ■ ...n. ,ш-— — Jn 4.6. Параметры некоторых серийно выпускаемых щеток \МаркащеткиНоминаль¬
ная плот¬
ность тока,
А/см2Допустимая
окружная
скорость, м/сУдельноенажатие,кПаУдельное
электриче¬
ское сопро¬
тивление,
мкОм • мТвердость,
10* ПаПереходное
падение нап¬
ряжения на
пару щеток, ВКоэффи¬
циент тре¬
ния, не бо¬
лееИзнос за
20 ч, мм, не
болееГЗ126020...2514 ±613 ±61 ± 0,40,300,5Г2015405068 ±32-3,2 ±1,10,220,15Г26103518 ...2590 ±20->20,26-Г2153015 ... 100300 ±15040 ±204,6 ±1,40,25Г22103040165 ±6536 ±19>2,20,250,3гзо103518 ...25230 ±80—>30,25-гзз5,53629 ... 54300 ±15040 ±234,7 ± 1,30,25-гззм103512 ...22= 160040 ±20--Г341525<34<22035 ±212,2 ± 0,80,270,3ЭГ2А125020... 2520 ± 815 ±71,4 ±0,50,230,4ЭГ2АФ159015 ...2124 ±1114 ± 81,6 ±0,50,230,4ЭГ4126015 ... 2011 ±54±21,4 ±0,60,250,6ЭГ8И4520... 4043 ±722 ±131,4 ±0,40,250,4ЭГ13-—29 ±918 ± 101,7 ±0,50,220,4ЭГ13П—-32 ±618 ±101,7 ±0,50,220,35ЭГ14124520-4029 ±919 ±111,6 ±0,50,250,4ЭГ17-—12 ± 318 ± 7---ЭГ505.5191529 ±1021 ±10--ЭГ51136020...2530 ±1036 ±191,6 ±0,40,220,4ЭГ51А——28 ±1037 ±171,6 ±0,40,220,38ЭГ61А1360-54 ±1845 ±232,5 ±0,70,150,3ЭГ62105029... 4945 ±25-2,1 ±0,90,170,4ЭГ61136035 ...5035 ±11-30,170,4ЭГ6356578617 ±610±62,2 ±0,50,250,3ЭГ711245toОtoLh27 ±810 ±41,6 ±0,50,300,4СКОЛЬЗЯЩИЕ КОНТАКТЫ С ГРАНИЧНЫМ ТРЕНИЕМ
Продолжение табл. 4.6МаркащеткиНоминаль¬
ная плот¬
ность тока,
А/см2Допустимая
окружная
скорость, м/сУдельноенажатие,кПаУдельное
электриче¬
ское сопро¬
тивление,
мкОм•мТвердость,
1<У ПаПереходное
падение нап¬
ряжения на
пару щеток, ВКоэффи¬
циент тре¬
ния, не бо¬
лееИзнос за
20 ч, мм, не
болееЭГ74155017...2555 ±2033 ±171,8 ±0,60,220,4ЭГ74АФ156015 ...2129 ±935 ±151,5 ±0,50,220,4ЭГ74К126017...2755 ±20-1,9 ±0,60,22-ЭГ75136034 ...4950± 15-2,35 ± 0,850,170,3ЭГ84175023 ...3950 ±20-2,5 ±1,00,190,4ЭГ84-1175523 ... 5060 ±20-2,7 ±1,00,170,35ЭГ85155017 ...3555 ±2034 ±162,1 ±0,50,200,4ЭГ86124527,5 ±17,521 ±141,75 ±0,750,28-ЭГ141176020...3035 ±1520 ± 101,6 ±0,50,200,35Ml253315 ...203,5 ± 1,516 ± 81,4 ±0,40,250,18М1А-4 ±216 ± 81,5 ±0,50,220,18Мб243515...203,5 ±2,517,5 ±7,51,5 ±0,50,200,35M20154515 ...208 ± 516 ±81,4 ±0,40,260,2МГ303018...23<0,129±5<0,30,200,8МГ4243020...25<1,316 ±6<1,60,200,3МГ4С--1,7 ±1,3-1,1 ± 0,50,200,3МГС01—-<0,313 ± 7<3,50,250,6МГСОА--0,2 ±0,129 ±150,3 ± 0,20,240,6МГС01А-<0,813 ±7<0,50,250,6МГС5243520-258,5 ± 6,513 ±71,3 ±0,60,220,4МГС9А——<1025 ±13<2,00,250,4МГС20——<0,415 ± 100,65 ±0,350,250,6МГС51. -— -7,5 ± 5,513 ±71,85 ± 0,650,220,356110М' 15 г ••• -- 90# ,г;„.12-22-:- 15 ± Ъ\ <• : 9 ± 31,2 ±0,50,300,4
СКОЛЬЗЯЩИЕ КОНТАКТЫ С ГРАНИЧНЫМ ТРЕНИЕМ483Возможны два подхода к решению
^оЙ задачи. Первый подход заключается
j, повышении стабильности характеристик
используемых токосъемников, а второй
подход - в создании условий снижения
сияния флуктуаций этих характеристик
да результаты измерения контролируемых
0араметров.Сложность решения поставленной
рроблемы усугубляется еще и тем, что
ррредаются весьма малые токи и напря¬
жения (контакты слаботочные). Это об¬
стоятельство не позволяет в полной мере
использовать применяемые для сильно-
точных контактов (для контактов элек¬
тромашин и сварочных аппаратов, кранов
й транспортных средств) методы повыше¬
ния надежности скользящих контактов.
Кроме того, к токосъемникам, применяе¬
мым для контроля работающих объектов в
производственных условиях, дополни¬
тельно предъявляются требования к безо¬
пасности, простоте эксплуатации и техни¬
ческого обслуживания, малой чувстви¬
тельности к внешним воздействиям.Одним из направлений повышения
стабильности характеристик скользя¬
щих токосъемников является применение
жктроконтактных смазочных материа-■; Юв.Переходное контактное сопротивле¬
ние токосъемников весьма чувствительно
к наличию смазочного материала (СМ).
При этом влияние СМ на переходное со-
: противление носит сложный и неодно¬
значный характер. Большинство смазоч¬
ных материалов являются диэлектриками
± с удельным объемным сопротивлением на
12 ... 20 порядков больше удельного со¬
противления материалов контактных эле¬
ментов. Поэтому образование сплошной
1 смазочной пленки достаточной толщины
; между контактными элементами приводит
; к полному нарушению проводимости кон-
: такта. В то же время часто проводимость
| казанного контакта может превосходить
j его проводимость при отсутствии СМ. Это
\ объясняется несколькими причинами. Во-
^ °ервых, смазочный материал в тонкихграничных слоях может обладать свойст¬
вами полупроводника. Во-вторых, смазоч¬
ный материал, как правило, не образует
сплошных граничных пленок, и в контакте
всегда присутствуют чисто металлические
пятна или пятна, покрытые лишь тонким
слоем молекул, который обладает тун¬
нельной проводимостью. Кроме того, су¬
ществуют электропроводящие смазочные
материалы, специально разрабатываемые
для улучшения эксплуатационных харак¬
теристик скользящих контактов.Наибольшая номенклатура смазоч¬
ных материалов используется в слаботоч¬
ных скользящих контактах, применяемых
в измерительных цепях. В таких контак¬
тах, работающих практически без образо¬
вания электрической дуги и при отсутст¬
вии электрической эрозии, основной
функцией смазочного материала является
защита рабочих поверхностей контактных
элементов от образования непроводящих
пленок, а также предотвращение задиров и
схватывания поверхностей на электропро¬
водящих площадках контакта. В ряде слу¬
чаев применение таких смазочных мате¬
риалов позволяет также повысить вибро¬
устойчивость и искробезопасность сколь¬
зящего контакта.В табл. 4.7 и 4.8 представлены харак¬
теристики некоторых наиболее распро¬
страненных отечественных и зарубежных
электроконтактных смазочных материалов
с указанием рекомендуемой области их
применения. Традиционно используются
смазочные материалы ЭЛЕКТРА-1, КСБ,
паста 164-39, ВНИИ НП-248, ВНИИ НП-
502. В качестве защитных от окисления
пластичных смазочных материалов (ПСМ)
применяют также технический вазелин и
многоцелевые материалы на литиевых
мылах, например, аналогичные ЦИАТИМ-
201. Необходимо принимать во внимание,
что использование универсальных сма¬
зочных материалов общего назначения в
электрических контактах часто приводит к
ухудшению эксплуатационных характери¬
стик последних. Это происходит вследст¬
вие быстрого высыхания и карбонизации
4.7. Характеристики отечественных электроконтактных смазочных материаловСмазочныйматериалОснова СМЗагуститель и добавкиПредел проч¬
ности
при 20 ° С,
ПаУдельное элек¬
трическое
сопротивление
при 20 °С,
Ом-смИспаря¬
емость
при 150 °С
за 1 ч, %Темпера¬турапримене¬ния,°СОбластьпримененияПаста 164-39Олигонитрил-силоксановаяжидкостьБентон, силикагель
БС (9:2)
Антиоксидант
ионол (1 %) и бензо-
триазол (1 %)200... 450S1095...7-60... 150ССКВНИИ НП-248Фторорганическаяжидкость-80... 250£ 10120-60...200ССККСБМасло индустри¬
альное И-50АНатриевые мыла са¬
ломаса (7 %) и стеари¬
новой кислоты (12%),
сера (0,3 %), медная
пудра
ПМС-20 (10 %),
антиоксиданты
(0,6 %)300... 800-2,4-30... 110Переклю¬
чатели по¬
ворота ав¬
томобилейЭЛЕКТРА-1-->70
(80... 130)5-1010... 10112...4(Зч,
120 °С)-60... 120ССКВНИИ НП-502--350... 470^ю120,5
(5 ч,
100 °С-40... 100ССК
4.8. Характеристики зарубежных электр о контактных смазочных материаловСмазочный материалФирма-изготовительОснова СМЭлектропроводнаядобавкаРекомендованная область
примененияSEL219G"Церитол"Сложные эфирыГрафитПодшипники электросва¬
рочных машинSEA 921 Си"Ремсдорф"НефтянаяПорошок меди,
3 мае. %Клеммы аккумуляторовCU-10"Нафтохем"НефтянаяМедная пудраУказатели поворотов
автомобиляG-27"Нафтохем"НефтянаяНетССКAKG2"Словнафт"НефтянаяГрафитПодшипники электросва¬
рочных машинKontasynth"Клюбер Любрикейшн”-НетССКSynthesin"Клюбер Любрикейшн"-НетССКSwitch Contact Com¬
pound Amber"Кастрол"-НетКонтакты переключателейUnimoly AC Metallic"Клюбер Любрикейшн"-Порошок медиЗажимные контактыElectrolud 1, 2, 2G,
2GX и т.д."Электролюб Лтд"Сложные эфирыНетССК и релейные контактыСКОЛЬЗЯЩИЕ КОНТАКТЫ С ГРАНИЧНЫМ ТРЕНИЕМ 485
486Глава 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫнефтяных ПСМ и масел при возникнове¬
нии искрения. Полисилоксаны при разло¬
жении выделяют окись кремния, являю¬
щуюся абразивным элементом.Эффективность применения смазоч¬
ных сред для улучшения эксплуатацион¬
ных характеристик скользящих контактов
не является бесспорной, хотя тенденция к
расширению такого применения устойчи¬
ва.Среди других перспективных на¬
правлений повышения стабильности ха¬
рактеристик скользящих токосъемников
можно выделить следующие:- использование тонких покрытий
благородных металлов в комбинации со
смазочными материалами, обладающими
свойствами поверхностно-активных ве¬
ществ по отношению к металлам;- разработка специальных конструк¬
ций и макротопографии контактных по¬
верхностей, при которых обеспечиваются
максимальное количество пятен контакта
и слабое взаимодействие этих пятен и их
групп как с точки зрения механических
напряжений, так и с точки зрения сопро¬
тивления стягивания контактов (например,
применяемая с СМ контактная пара с ре¬
гулярным макропрофилем поверхности,
когда выступы являются токонесущими
элементами, а впадины - резервуарами
для СМ и ловушками для продуктов из¬
нашивания);- использование модулированных
композиционных покрытий, проявляющих
высокие фрикционные и электромехани¬
ческие характеристики.Снижение влияния нестабильности
характеристик токосъемников на ре¬
зультаты контроля производится путем
использования ряда конструктивных и
схемотехнических приемов.Требования к характеристикам токо¬
съемника, в частности к значению пере¬
ходного контактного сопротивления и к
его стабильности, во многом определяют¬
ся задачей контроля, выбранным контро¬
лируемым параметром и схемой его изме¬
рения. Наиболее высокие требованияпредъявляются к токосъемникам, устанав
ливаемым в цепях измерения токов
оценке так называемых параметров интен
сивности (например, текущие или средние
значения сопротивления, проводимости'!
В данных схемах сопротивления токо¬
съемника и объекта контроля оказываются
включенными последовательно, поэтому
особое влияние нестабильность характе¬
ристик токосъемников оказывает на ре¬
зультаты контроля в случаях, когда сопро¬
тивление объекта и переходное контакт¬
ное сопротивление токосъемника имеют
значения одного порядка.Существенно меньшее влияние на ре¬
зультат контроля оказывает токосъемник
при его подключении в высокоомную
цепь измерения напряжения. При этом
даже в случае измерения параметров ин¬
тенсивности незначительные по абсолют¬
ной величине флуктуации сопротивления
токосъемника, включенного последова¬
тельно с большим сопротивлением изме¬
рительной цепи, не оказывают существен¬
ного влияния на суммарное сопротивле¬
ние.Таким образом, разработка измери¬
тельных цепей, в которых токосъемник
включается в цепь измерения напряжений,
является одним из направлений снижения
влияния нестабильности его параметров
на результаты контроля.Другим конструктивным приемом
снижения значения и повышения стабиль¬
ности переходного контактного сопротив¬
ления токосъемников является использо¬
вание нескольких контактных элементов.
Так, например, при реализации электриче¬
ского контакта с вращающимися объекта¬
ми рекомендуется использовать сразу не¬
сколько щеток, контактирующих с одним
подвижным элементом и включенных
электрически параллельно (см. рис. 4.3). С
учетом возможного биения вращающейся
детали щетки следует устанавливать диа¬
метрально противоположно (две или че¬
тыре щетки). При использовании парал¬
лельно подключенных пщ щеток общее
сопротивление токосъемника RTC снижает-
ЖИДКОСТНЫЕ КОММУТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА487ся практически в пщ раз, а вследствие вза-
^ной компенсации изменения сопротив¬
лений в каждом из контактов при биении
„одвижного элемента достигается повы¬
сив стабильности общего контактного
^противления токосъемника:ИрсурЕ,=1/•чц1=1Надежный электрический контакт с
перемещающимся объектом предполагает
создание определенного усилия F прижи¬
ла трущихся деталей (контактное нажа-
тйе). В то же время увеличение F приво¬
дит к росту интенсивности изнашивания
деталей, загрязнению поверхностей тре¬
ния продуктами изнашивания, повыше¬
нию температуры и, как следствие, сни¬
жению эксплуатационных характеристик
токосъемника и его быстрому отказу. По¬
этому при создании средств электрическо¬
го НК в ряде случаев предусматривают
систему подвода и прижима щетки с за¬
данным усилием к вращающемуся объек¬
ту, например к валу, только на время из¬
мерения диагностического параметра.Примеры таких устройств представ¬
лены на рис. 4.4 и 4.6. Согласно схеме
рис. 4.4 скользящий контакт реализуется с
помощью вала (контактного кольца) 1 и
щетки 2, установленной на штоке 3. Шток
крепится в кронштейне 4 и изготовлен с
возможностью перемещения в направ¬
ляющих 5 совместно с зубчатой рейкой 6.момент контроля исполнительный ме¬
ханизм автоматически включает вращение
зубчатого колеса 7, которое перемещает
рейку 6 и вводит щетку 2 в зацепление с
подвижным элементом 1 на заданное вре¬
мя, соответствующее продолжительности
контроля. Необходимое усилие F контакт¬
ного нажатия обеспечивается пружиной 8.токосъемнике, представленном на
Рис. 4.6, отвод щеток производится вруч¬
ную кулачком 4 с помощью рукоятки 5.Еще одним направлением снижения
влияния флуктуаций сопротивления сла¬
боточных контактных токосъемников наРис. 4.12. Токосъемник контактныйс дополнительной силовой цепьюрезультат измерения контролируемого
параметра является создание специальных
электрических цепей. Один из таких под¬
ходов заключается в том, что наряду с
измерительной цепью создают силовую
цепь, причем в обеих цепях задействован
один и тот же токосъемник.Пример такого устройства, контро¬
лирующего объект по параметрам элек¬
трического сопротивления, представлен на
рис. 4.12. Измерительное напряжение £и
подводится к неподвижной детали ОК (на
рисунке не показана) через нулевую шину,
а к подвижной детали - через вал или кон¬
тактное кольцо 1 и щетку 2. Величина
создаваемого в ОК электрического поля
регулируется переменным резистором 7?ри,
а значение контролируемого параметра
определяется измерительным устройством
ИУ. Для повышения надежности работы
слаботочного скользящего контакта 1-2 в
устройстве предусмотрена дополнитель¬
ная силовая замкнутая цепь, состоящая из
источника высокого напряжения Ес регу¬
лировочного резистора Rpc, щетки 2, под¬
вижного элемента 1 и щетки 3. С помо¬
щью силовой цепи "пробивают" поверх¬
ностные пленки в контактных зонах тру¬
щихся деталей и обеспечивают низкое и
стабильное переходное сопротивление
токосъемника 1-2 для его использования в
слаботочной измерительной схеме. Изме¬
рительная цепь электрически развязана от
силовой цепи с помощью диода VD.4.3. ЖИДКОСТНЫЕ
КОММУТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВАСущественно улучшить характери¬
стики токосъемника можно путем разде¬
ления трущихся поверхностей электро¬
проводящей жидкостью. При этом гра¬
488Глава 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫничное трение сменяется жидкостным, что
приводит к снижению коэффициента тре¬
ния, интенсивности изнашивания рабочих
поверхностей и, соответственно, к повы¬
шению механических и тепловых потерь в
токосъемнике. Использование жидкости в
качестве третьего тела (см. рис. 4.2), раз¬
деляющего рабочие поверхности твердых
контактных элементов, позволяет также
существенно снизить значение и повысить
стабильность переходного контактного
сопротивления - основной характеристики
токосъемников измерительных цепей.Жидкостные токосъемники по харак¬
теру используемой разделяющей жидко¬
сти подразделяются на две группы: пас¬
сивные и активные. В устройствах первой
группы разделяющая жидкость выполняет
только функции разделения поверхностей
контактных элементов и передачи элек¬
трического тока. В активных токосъемни¬
ках процесс передачи информации между
неподвижным и подвижным электродами
сопровождается какими-либо процессами,
явлениями, реакциями, протекающими
между разделяющей жидкостью и мате¬
риалами контактных элементов и приво¬
дящими к улучшению и стабилизации ха¬
рактеристик токосъемника.Рассмотрим принципы построения и
особенности конструктивного исполнения
пассивных токосъемников. Наилучшими
электроконтактными характеристиками
обладают металлы, однако подавляющее
их большинство имеет высокие темпера¬
туры плавления (см. табл. 4.1) и при нор¬
мальных условиях эксплуатации токо¬
съемников находятся в твердом агрегат¬
ном состоянии.Исключением является ртуть (Hg) -
металл, имеющий температуру плавления
минус 38,87 °С (плотность 13,53 г/см3).
Ртуть широко применяется в технике
электрических контактов (обычно герме¬
тичных). При использовании этого метал¬
ла в качестве разделяющей жидкости в
токосъемниках обеспечиваются высокие
эксплуатационные показатели (переход¬
ное контактное сопротивление имеет зна¬чение порядка 10'5 ... 10"4 Ом). ОднаКо
ртуть токсична и требует применения осо¬
бых мер предосторожности, поэтому Ис'
пользуется, как правило, только в лабора
торных условиях.В качестве разделяющей жидкости в
пассивных токосъемниках применяют
также различные сплавы с низкой темпе¬
ратурой плавления. Одним из наиболее
распространенных материалов этой груп¬
пы считается сплав Вуда. Специфические
свойства этого материала, впервые произ¬
веденного в 1860 году, обусловливают его
широкое применение в различных отрас¬
лях техники. Сплав Вуда содержит вис¬
мут, свинец, олово и кадмий (состав: Bi -
50 %; Pb - 25 %; Sn - 12,5 %; Cd - 12,5 %)
и переходит из твердого агрегатного со¬
стояния в жидкое при температуре около
68 °С. Низкая температура плавления соз¬
дает условия для использования данного
сплава при нормальных условиях эксплуа¬
тации токосъемников. В специальных
конструкциях токосъемников перед нача¬
лом контроля разогревается сплав, кото¬
рый при работе узла создает жидкий слой
между трущимися поверхностями, осуще¬
ствляя надежный контакт с низким пере¬
ходным сопротивлением.Основной проблемой технической
реализации жидкостных токосъемников
является предотвращение вытекания раз¬
деляющей жидкости из рабочей области.
Решение этой проблемы осуществляется
путем создания соответствующих конст¬
рукций токосъемников - применением
специальных сальников, лабиринтных
устройств, насосных элементов и т.п.На рис. 4.13 представлен пример то¬
косъемного устройства, использующего в
качестве третьего тела легкоплавкий
сплав. На основании 1 установлен ОК (на
рисунке не показан), вал которого 2 слу¬
жит подвижным контактным элементом. В
качестве неподвижного контактного эле¬
мента токосъемника выступает закреплен¬
ный на основании 1 стакан 3 с крышкой 4
ЖИДКОСТНЫЕ КОММУТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА489Рис. 4.13. Токосъемник жидкостной
с легкоплавким сплавом:основание; 2 - вал; 3 - стакан; 4 - крышка;; 5 - нагревательный элемент; 6 - легкоплавкий
сплав; 7 - двухступенчатый наконечник вала;| 8 - спиральная канавка«нагревательным элементом 5, заполнен¬
ный легкоплавким сплавом 6. На цилинд¬
рической поверхности двухступенчатого
наконечника 7 вала 2, охваченной крыш¬
кой 4, выполнена спиральная канавка 8 с
шагом, уменьшающимся к концу вала.
Перед началом контроля с помощью на¬
гревательного элемента 5 разогревают
стакан 3 до температуры, близкой к тем¬
пературе плавления сплава 6. В результате
трения наконечника 7 о сплав 6 и действия
нагревательного элемента 5 сплав перехо¬
дит в жидкое агрегатное состояние, вы¬
полняя роль разделяющей электропрово¬
дящей жидкости. Канавка 8 с поверхно¬
стью крышки 4 при вращении вала обра¬
зует газодинамический насос, нагнетаю¬
щий в рабочую зону сжатый воздух, что
препятствует вытеканию расплавленного
материала 6.В активных токосъемниках разде¬
ляющая жидкость вступает в электрохи¬
мическое взаимодействие с материалами
контактных элементов, обеспечивая за
счет этого не только передачу электриче¬
ской энергии и измерительной информа¬
ции, но и выполнение некоторых допол¬
нительных функций. В качестве разде¬
ляющих жидкостей в таких устройствах12Рис. 4.14. Схема жидкостного
токосъемника с электролитом в составе уст¬
ройства контроля подшипников:1- вал; 2 - сосуд; 3 - электролит; 4 - ОК;5 - основание; 6 - изоляционная втулка;7,8- неподвижные электроды; 9 - стержень;10- стойка; 11- потенциометр;12 - измерительный прибор; 13 - подвижный
контакт потенциометраиспользуют обычно растворы электроли¬
тов.На рис. 4.14 представлена схема, по¬
ясняющая принцип построения устройст¬
ва, выполняющего функцию токосъемни¬
ка и источника постоянной ЭДС при вы¬
сокой стабильности как переходного кон¬
тактного сопротивления, так и значения
ЭДС. Устройство включено в состав сред¬
ства контроля подшипников качения ме¬
тодом электрического сопротивления.При вращении сосуда 2, жестко свя¬
занного с валом 1, жидкий электролит 3
под действием центробежных сил распре¬
деляется по стенкам сосуда. Электроды 7
и 8 изготовлены из металлов, образующих
в среде электролита 3 гальваническую
пару. В то же время каждый из электродов
образует гальваническую пару с материа¬
лом сосуда 2. В связи с наличием разности
потенциалов между электродами 7 и 8
через потенциометр 11 идет электрический
490Глава 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫРис. 4.15. Устройство контроля
подшипников с активным жидкостным
токосъемником:1 - основание; 2 - вал; 3 - ОК; 4 - измеритель¬
ное устройство; 5 - стакан; 6 - электролит;7 - изоляционная втулка; 8 - электрод;9 - втулка; 10- крышкаток. Потенциал подвижного электрода 13
потенциометра, подводимый через изме¬
рительный прибор 12 и основание 5 к на¬
ружному кольцу контролируемого под¬
шипника 4, при регулировке может при¬
нимать любое заданное значение от по¬
тенциала электрода 7 до потенциала элек¬
трода 8. Потенциал внутреннего кольца
подшипника равен потенциалу сосуда 2. В
результате напряжение, подводимое к на¬
ружному и внутреннему кольцам контро¬
лируемого подшипника, при регулировке
потенциометра 11 может изменяться в
пределах от разности потенциалов элек¬
трода 7 и сосуда 2 до разности потенциа¬
лов электрода 8 и того же сосуда 2. Пере¬
мешивание электролита при работе узла в
процессе его диагностирования обеспечи¬
вает стабильность внутреннего сопротив¬
ления данного источника ЭДС.На рис. 4.15 представлен пример кон¬
структивного исполнения аналогичного
устройства с одним электродом (без регу¬лирования значения ЭДС), в котором по
вижным контактным элементом является
электрод 8, а неподвижным - стакан 5
электролитом 6. В данном устройстве от
бойники втулки 9 и гребешки стакана 5
образуют эффективное лабиринтное уП
лотнение, исключающее механическое
трение между неподвижными стаканом 5
и крышкой 10 и вращающейся втулкой 9 ц
предотвращающее вытекание электроли¬
та б в процессе контроля.4.4. БЕСКОНТАКТНЫЕ
КОММУТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВАПри реализации электрического
взаимодействия с подвижными элемента¬
ми ОК или с ОК, расположенными на
подвижных объектах, широкое примене¬
ние находят бесконтактные коммутирую¬
щие устройства (токосъемники), в кото¬
рых электрическая энергия и сигналы из¬
мерительной информации передаются че¬
рез среду газа, в частности воздуха, с по¬
мощью различных полей.Основные преимущества таких уст¬
ройств по сравнению с жидкостными то¬
косъемниками и, тем более, со скользя¬
щими контактами очевидны - отсутствие
механического взаимодействия контакт¬
ных элементов, существенное снижение
трения и износа.Бесконтактные коммутирующие уст¬
ройства при разработке средств НК реша¬
ют две основные задачи. Первая их них
заключается в передаче энергии на ОК с
целью запитывания преобразователей,
расположенных на его перемещающихся
элементах, или создания тестового элек¬
трического поля в ОК (задача энергоснаб¬
жения). Вторая задача заключается в пе¬
редаче сигнала измерительной информа¬
ции, характеризующего техническое со¬
стояние ОК (задача передачи измеритель¬
ной информации). В некоторых средствах
НК указанные задачи решаются с помо¬
щью единого канала связи, в других - ка¬
налы связи разделены.В зависимости от используемого ин¬
формативного параметра и физического
БЕСКОНТАКТНЫЕ КОММУТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА491Гуления, заложенного в основу передачи
энергии и измерительной информации,
бесконтактные токосъемники подразде¬
ляются на устройства с индуктивным, ем¬
костным, оптическим каналами связи, с
радиоканалом, автосинхронизационные и
др. Наиболее широкое применение в сис¬
темах НК находят первые три вида токо¬
съемных устройств, поэтому остановимся
на их рассмотрении подробнее.4.4.1. Устройства с индуктивным
каналом связиИндуктивный канал связи является
| наиболее распространенным при создании
бесконтактных коммутирующих уст-
| ройств. Основные характеристики, схемо-1 техническое решение и конструктивное
исполнение индуктивных коммутирую¬
щих устройств во многом зависят от мето-
НК (используемого информативного
параметра), а также от вида выходного
параметра, информация о котором подле¬
жит передаче с помощью данного устрой¬
ства. К числу выходных параметров в
данном случае относятся амплитуда, час¬
тота и форма колебаний.Реализация индуктивного канала
обычно осуществляется с помощью низ¬
кочастотных вращающихся трансформа¬
торов с магнитопроводом и высокочастот¬
ных воздушных вращающихся трансфор¬
маторов. Пример конструктивного испол¬
нения низкочастотного вращающегося
трансформатора представлен на рис. 4.16,
где одна из обмоток трансформатора (3)
закреплена на вращающемся контактном
элементе - валу 7, а вторая (4) - в корпу¬
се 5. При вращении вала в подшипнике 2
между обмотками 3 и 4 обеспечивается
воздушный зазор /3.При равенстве индуктивностей L
первичной и вторичной обмоток транс¬
форматора, малости воздушных зазоров
по сравнению с габаритными размерами
сердечника и без учета паразитных емко¬
стей выражение для определения коэффи¬
циента связи Ксв имеет вид:Рис. 4.16. Вращающийся трансформатор
с магнитопроводом:1 - вал; 2 - подшипник качения; 3 - вращаю¬
щаяся обмотка; 4 - неподвижная обмотка;5 - корпус; I, - воздушный зазорKCB=l-Ls/L,где Ls - индуктивность рассеяния, a L -
индуктивность катушки, определяемая
выражениемц coo.Sc~~ / +2/3—— '
с i оЦо згде Шо - число витков обмотки; Sc - пло¬
щадь сечения стального сердечника; S3 -
площадь воздушного зазора; /с - длина
средней силовой линии в сердечнике; /3 -
ширина воздушного зазора; ц - магнитная
проницаемость материала; jlx0 - магнитная
проницаемость воздуха.С учетом принятых допущений ин¬
дуктивность рассеяния Ls принимаетсяпостоянной, а нестабильность АКсв значе¬
ния Ксв, обусловленная флуктуациями
геометрических параметров воздушного
зазора работающего трансформатора, оп¬
ределяется из выражений:2 L.А^св =Но ю2 s3-al;ЖСВ=-Щ^А5>.ц0 со S3Индуктивные коммутирующие уст¬
ройства работают на переменном токе.
492Глава 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ4.9. Примеры и характеристики базовых схем передачи информации
с использованием индуктивного канала связиНомерсхемыБазовая схемаОписаниеСхема с преобразователем сопротив¬
ление - напряжение:1 - генератор; 2 - измерительный при¬
бор; Т1, Т2 - вращающиеся трансфор¬
маторы; Яд - добавочное сопротивле¬
ние; R0K - сопротивление ОК; Сп - па¬
разитная емкостьчВращающийся объект4 Вращающийся объектСхема с внесением параметров сопро¬
тивления через индуктивную связь:1 - генератор; 2 - измерительный при¬
бор; Т - вращающийся трансформатор;
R0K - сопротивление ОК; Сп - паразит¬
ная емкостьСхема с генераторным преобразовате¬
лем:1 - генераторный преобразователь (на¬
пример, термопара); 2 - устройство
индуктивной связи; 3 - пиковый вольт¬
метр 1—-^Вращающийся объект^Вращающийся объектСхема с вращающимся колебательным
контуром:L, С - параметры OK; Т - вращающий¬
ся трансформатор; ИП - измеритель¬
ный прибор (частотомер)
БЕСКОНТАКТНЫЕ КОММУТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА493Продолжение табл. 4.9НомерсхемыБазовая схемаОписаниеВращающийся объектДатчикпараметраПреобра-Т—, |т,—
зователь 1,-J
параметра ^||>
в частоту <1?
перемен- <|>
ного на- г1 1
пряжения»—11 МУстройствоизмерениячастотыСхема с преобразователем контроли¬
руемый параметр - частотаЭнергоснабжениег-Вращающийся объектДатчикпараметраПреобра¬
зователь
^[параметра
в форму
напряже¬
ния1Устройствоконтроляформынапряже¬нияСхема с преобразователем контроли¬
руемый параметр - форма напряженияЭнергоснабжениеВыбор несущей частоты /и при амплитуд¬
ном выходе определяется как частотным
спектром передаваемого сигнала, так и
конструктивными соображениями. Так,
например, диаметр вращающейся части
токосъемника устанавливают из прочно¬
стных условий с учетом действия центро¬
бежных сил. Поэтому для устройств с
магнитопроводом из сплошной или листо¬
вой стали значение /и обычно не превыша¬
ет 10 0 ... 500 Гц, а для устройств с ферри-
товым магнитопроводом предельное зна¬
чение /и достигает 10 ... 15 кГц.В табл. 4.9 представлены примеры
реализации индуктивных коммутирующих
устройств на основе вращающегося
трансформатора.Индуктивный канал связи с ампли¬
тудным выходом применяется, в основ¬
ном, для генераторных методов НК, а
также для электропараметрических мето¬
дов, в частности метода электрического
сопротивления. Схема 1 реализует преоб¬
разование сопротивления OK R0K в элек¬
трическое напряжение на вращающемся
объекте с последующей передачей сигналаизмерительной информации через индук¬
тивный канал связи Т2. Энергоснабжение
измерительной цепи осуществляется через
дополнительный канал связи на основе
вращающегося трансформатора ТьСхема 2 реализует изменение режима
работы стационарной измерительной схе¬
мы за счет внесения через индуктивную
связь (трансформатор Т) параметров вра¬
щающегося ОК. Схема 3 осуществляет
преобразование генерируемой ОК ЭДС в
индукцию в зазоре устройства индуктив¬
ной связи, а затем - в амплитуду импульса
во вторичной обмотке трансформатора L2.Индуктивные системы с частотным
выходом применяются при реализации
электропараметрических методов НК, в
частности, метода электрического сопро¬
тивления и электроемкостного метода.
Системы используются и для генератор¬
ных методов НК, для чего на подвижном
объекте устанавливаются преобразователи
ЭДС - электрическая емкость или индук¬
тивность. Эти системы основываются на
использовании базовых схем 4 и 5. В пер¬
вом случае на перемещающемся объекте
494Глава 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫРис. 4.17. Устройство контроля
двухопорных узлов с бесконтактным
индуктивным токосъемником:1,4- катушки индуктивности; 2, 3 - ферро¬
магнитные сердечники; 5 - вал; 6,7 - подшип¬
ники контролируемого узла; 8 - корпуссоздается резонансный контур, включаю¬
щий контролируемые параметры OK (L,
С), которые и определяют собственную
частоту контура. Во втором случае на
вращающемся ОК устанавливается преоб¬
разователь контролируемый параметр -
частота переменного напряжения, при
этом частота выходного сигнала, опреде¬
ляемая устройством ИП, передается по
индуктивному каналу связи Г.Схема 6 соответствует устройству, в
котором на вращающемся ОК устанавли¬
вается преобразователь контролируемый
параметр - форма напряжения.Наряду с вращающимися трансфор¬
маторами для реализации индуктивного
канала связи часто используют устройст¬
ва, где обе катушки индуктивности уста¬
навливаются на неподвижных элементах
ОК, а в качестве элемента, на который
подается энергия и с которого снимается
сигнал измерительной информации, ис¬
пользуется вращающийся элемент ОК.На рис. 4.17 представлен пример
схемы устройства контроля двухопорных
подшипниковых узлов по параметрам
электрического сопротивления. Катуш¬
ка 7, установленная на замкнутом ферро¬
магнитном сердечнике 2, создает в замк¬
нутом контуре, образованном вращаю¬
щимся валом 5, подшипниками б и 7 и
корпусом 8 электрический ток. Значение
этого тока является функцией активного
электрического сопротивления подшип-/7 ников и несет информацию об их техниче
ском состоянии. Для измерения значения
тока служит катушка 4, установленная на
замкнутом ферромагнитном сердечнике 3
Таким образом, как энергоснабжение, так
и передача измерительной информации
осуществляются с помощью индуктивных
бесконтактных коммутирующих уст¬
ройств.4.4.2. Устройства с емкостным
каналом связиЕмкостный канал связи при передаче
энергии и сигнала измерительной инфор¬
мации имеет ряд преимуществ и недостат¬
ков. К преимуществам относятся простота
конструкции и технологии изготовления,
малые габариты и масса, высокая помехо¬
защищенность к постоянным магнитным
полям.Конструктивно емкостные токосъем¬
ники выполняются в виде цилиндрическо¬
го или дискового конденсатора, одна из
обкладок которого устанавливается на
вращающемся элементе (рис. 4.18). При
работе токосъемника осуществляется от¬
носительное перемещение обкладок, по¬
рой с высокой скоростью при возможном
радиальном и (или) торцевом биении. В
этой связи в таких токосъемниках, в отли¬
чие от электроемкостных измерительных
преобразователей, обеспечиваются срав¬
нительно большие значения зазоров меж¬
ду обкладками (1 ... 3 мм). Именно этота) б)Рис. 4.18. Конструкции цилиндрического (а)
и дискового (б) емкостных токосъемников:1 - вращающийся вал; 2 - вращающиеся
обкладки; 3 - неподвижные обкладки;4 - корпус; 5, 6- соединительные провода
БЕСКОНТАКТНЫЕ КОММУТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА4954.10. Примеры и характеристики базовых схем передачи информации
с использованием емкостного канала связиБазовая схемаОписание^ Вращающийся объектСхема с амплитудным вы¬
ходом по току:1 - измерительный прибор;2 - генератор; Ст - емкости
токосъемников; Z0K - (R, С,
L) - контролируемый пара¬
метр ОКВЧ-генераторВольтметр4 Вращающийся объектСхема с. амплитудным вы¬
ходом по напряжению:Ст - емкости токосъемни¬
ков; Zok - (R, С, L) - кон¬
тролируемый параметр ОК*h_iАктивная
цепь авто¬
генератораЧастото¬мерСхема с частотным выхо¬
дом:Ст - емкости токосъемни¬
ков; Zd - (R, С, L) - кон¬
тролируемый параметр ОК^Вращающийся объектг сДатчикпараметраПреобра¬зовательifhiИзмери¬тельноеустройствоЭнергоснабжениеСхема с преобразователем
на вращающемся ОК:Су - емкости токосъемниковфактор, наряду с ограниченными разме¬
рами элементов токосъемных устройств,
приводит к тому, что электрическая ем¬
кость последних обычно не превышает
нескольких сотен пикофарад для низко¬
скоростных (до 104 мин"1) и десятков пи¬
кофарад для высокоскоростных (свыше
Ю4 мин"1) токосъемников. Указанные зна¬
чения емкости весьма малы и соизмеримы
с паразитными емкостями других элемен¬тов устройства, что является основным
недостатком емкостных токосъемников.В табл. 4.10 представлены примеры
схем включения емкостных коммутирую¬
щих устройств.При использовании параметрических
методов НК реализуются схемы с ампли¬
тудным (схемы 1 и 2) и частотным (схема 3)
выходом. Измерение контролируемого
параметра при использовании схемы 1
496Глава 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫосуществляется путем регистрации изме¬
нения тока в цепи, образованной измери¬
тельным прибором 7, высокочастотным
генератором 2, емкостными токосъемни¬
ками Ст и ОК. Схема 2 используется в тех
случаях, когда измеряемый параметр
предварительно преобразуется в электри¬
ческий сигнал с помощью мостовой схемы
или какого-либо другого четырехполюс¬
ника, установленного на вращающемся
ОК. При этом индикатором состояния ОК
является вольтметр или нуль-индикатор. В
системах, реализованных по схеме 3, на
перемещающемся ОК устанавливаются
элементы частотозадающей цепи автоге¬
нератора, одним из которых является пре¬
образователь контролируемого параметра.При реализации генераторных мето¬
дов НК устройства емкостной связи ис¬
пользуют в качестве модулятора или при¬
меняют промежуточные измерительные
преобразователи на перемещающемся
объекте (схема 4).4.4.3. Устройства с оптическим
каналом связиУстройства с оптическим каналом
связи подразделяются на параметрические
и генераторные. При расположении ис¬
точника света на перемещающемся объек¬
те системы классифицируются как генера-Рис. 4.19. Схемы параметрического (а) и
генераторного (б) устройств НК с
оптическим каналом связи:1 - ОК; 2 - устройство управления параметром
оптического тракта {а) и излучателем (б);3 - управляемое звено оптического тракта;4 - источник света; 5 - фотоприемник;6 - измерительный прибор; 7 - вращающийся
объект; 8 - излучатель светаторные, а при его расположении на непод
вижном объекте - как параметрические
На рис. 4.19 приведены базовые схемы
параметрических и генераторных систем
Принцип действия параметрических
систем (рис. 4.19, а) заключается в моду,
лировании одного из параметров оптиче¬
ского тракта, включающего стационарные
источник света и фотоприемник. К числу
модулируемых параметров тракта могут
относиться оптическая плотность, коэф¬
фициент отражения, коэффициент пре¬
ломления, пространственное положение
луча, вращение плоскости поляризации и
т.п. Основное преимущество параметри¬
ческих систем заключается в практически
неограниченной мощности оптических
каналов, которая обеспечивается стацио¬
нарным излучателем света.В генераторных системах (рис. 4.19,б) сигнал первичного измерительного
преобразователя через промежуточный
измерительный преобразователь управля¬
ет амплитудой или частотой световых им¬
пульсов. Преимущества таких систем за¬
ключаются в малых размерах излучателя и
источника, а также в однонаправленности
передаваемой информации.Генераторные системы с оптическим
каналом связи выполняются с амплитуд¬
ной, частотной и амплитудно-частотной
модуляцией.ф2Рис. 4.20. Устройство контроля
подшипников с активным оптическим
токосъемником:7 - анод; 2 - вал; 3 - катод; 4 - основание; ^
5 - источник света; 6 - ОК; 7 - измерительный
прибор
БЕСКОНТАКТНЫЕ КОММУТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА497Оптический принцип передачи ин¬
формации позволяет реализовать также
активные токосъемники, в которых функ¬
ция электрического взаимодействия под¬
вижного элемента с неподвижным эле¬
ментом контакта совмещена с функцией
энергоснабжения. На рис 4.20 представлен
пример такого токосъемника с составе
устройства контроля подшипников. Токо¬
съемник выполнен в виде вакуумного фо¬
тоэлемента с внешним фотоэффектом.Анод 1 закрепляется на торце вра¬щающегося вала 2, а катод 3 - на непод¬
вижном основании 4. При освещении фо-
точувствительного слоя фотокатода 3 све¬
товым потоком требуемой мощности от
источника 5 за счет выбиваемых электро¬
нов осуществляется замыкание измери¬
тельной цепи, состоящей из последова¬
тельно соединенных катода 3, анода 7,
вала 2, контролируемого подшипника 6 и
измерительного прибора 7, осуществляю¬
щего определение значения контролируе¬
мого параметра.
Глава 5ЭЛЕКТРОПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ И ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ
МЕТОДЫ5.1. ЭЛЕКТРОПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ
МЕТОД5.1.1. Физические основыЭлектропотенциальный метод нераз¬
рушающего контроля основывается на
регистрации распределения потенциалов
по поверхности ОК. Обычно с помощью
данного метода реализуют тестовый кон¬
троль. При этом через контролируемый
участок ОК пропускают электрический
ток и измеряют значение разности потен¬
циалов на части этого участка. По полу¬
ченному значению разности потенциалов
судят о геометрических размерах ОК, на¬
личии и местоположении поверхностных
дефектов, а также о размерных параметрах
этих дефектов.На рис. 5.1 представлена схема реа¬
лизации электропотенциального метода. С
помощью двух электродов 1 и 2 (токопод¬
водящие или токовые электроды), распо¬
ложенных на расстоянии 2а друг от друга,
от внешнего источника к ОК подводится
электрический ток (постоянный или пере¬
менный). Проходя через электропроводя¬
щий ОК, данный ток создает падение по¬
тенциалов на каждом участке его поверх¬
ности. Значение разности потенциалов U
(и0 - при отсутствии дефекта; Ua - при
наличии дефекта) на контролируемом уча¬
стке поверхности ОК измеряется с помо¬
щью электродов 3 и 4 (измерительные или
потенциальные электроды), расположен¬
ных на фиксированном расстоянии 2Д
друг от друга (обычно 2Д < 2 мм).Вектор плотности тока в ОК опреде¬
ляется вектором напряженности создавае¬
мого электрического поля и совпадает с
ним по направлению. При этом распреде¬
ление плотности тока в объекте и, соот¬
ветственно, измеренное с помощью элек¬тродов 3 и 4 значение разности потенциа¬
лов U будут зависеть от значения подво¬
димого тока, электрофизических свойств
материала, из которого изготовлен ОК
геометрических параметров ОК и качества
поверхностного слоя (наличия и характе¬
ристик локальных дефектов). К числу
влияющих электрофизических свойств
материала относится, прежде всего, удель¬
ная электрическая проводимость а. В
случае использования переменного тока
влияние на U оказывает также магнитная
проницаемость ца материала и частота со
подводимого тока.Поверхностный дефект, например
трещина, создает дополнительное препят¬
ствие прохождению тока через ОК. На
рис. 5.1 схематично показано расположе¬
ние линий равных значений плотности
тока (сплошные) - изолиний плотности
тока и линий равных значений электриче¬
ского потенциала (штриховые) - эквипо-
тенциалей для случая использования по¬
стоянного тока. Указанные линии взаимно
ортогональны. Сравнение характера рас¬
положения линий при отсутствии дефекта
(рис. 5.1, а) и при наличии дефекта
(рис. 5.1, б) показывает, что дефект
сплошной электропроводящей среды, ори¬
ентированный поперек изолиний плотно¬
сти тока, искажает как изолинии, так и
эквипотенциали, что должно вызывать
изменение значения разности потенциалов
между фиксированными точками поверх¬
ности (между электродами 3 и 4). Это ука¬
зывает на принципиальную возможность
осуществления дефектоскопии и дефекто-
метрии электропроводящих материалов
электропотенциальным методом.Среди геометрических параметров
ОК на значение U оказывает влияние,
прежде всего, толщина ОК - Ток. Наиболее
ЭЛЕКТРОПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ МЕТОД499интенсивно это влияние в случае, когда
значение Гок соизмеримо с глубиной про¬
никновения электрического поля в ОК.указывает на принципиальную воз¬
можность оценки с помощью электропо-
денциального метода толщины металличе¬
ских пленок, листового материала, метал¬
лических покрытий. Причем данный ме¬
тод контроля реализуется при односто¬
роннем доступе к ОК.Применительно к решению задачи
дефектометрии, однако, эффект влияния
толщины Гок на измеренное значение кон¬
тролируемого параметра U является поме-
' хой. Одно из направлений снижения влия¬
ния этой помехи на результат контроля -
переход к использованию переменного
тока, при котором проявляется скин-
эффект. Сущность скин-эффекта заклю¬
чается в уменьшении глубины проникно¬
вения электрического поля в ОК с повы¬
шением частоты со переменного тока.
Контуры тока, таким образом, концентри¬
руются в поверхностном слое ОК на неко¬
торой глубине 5Т = flco), что снижает
влияние Ток на результаты измерения U.5.1.2. Теоретические основыМатематическое описание распреде¬
ления плотности тока в электропроводя¬
щем объекте при подключении двух точек
его поверхности к источнику тока может
быть получено путем решения краевой
задачи с использованием уравнений Мак¬
свелла с определенными граничными ус¬
ловиями. Аналитическое решение данной
задачи является весьма затруднительным
и в практике НК находится, как правило, с
учетом ряда допущений на основании ме¬
тодов физического и математического
моделирования. Цель решения данной
задачи - оптимизация параметров контро¬
ля, в частности, расстояний между потен¬
циальными электродами, токовыми элек¬
тродами и соотношения между этими рас¬
стояниями. Выбор указанных параметров
непосредственно влияет на метрологиче¬
ские характеристики метода при измере-ипLi4J XТГЗГ2аа)6)Рис. 5.1. Схема распределения изолиний
плотности тока и эквипотенциальных
линий в электропроводящем объекте при
слабом скин-эффекте при отсутствии (а) и
при наличии (б) поверхностного дефекта
типа трещинынии геометрических параметров ОК и его
дефектов, прежде всего, на верхний пре¬
дел и точность измерения.В качестве примера рассмотрим ре¬
зультаты моделирования для проводящего
полупространства и для проводящей пла¬
стины толщиной Ток при использовании
постоянного тока плотностью Jo-Для электропроводящего полупро¬
странства при отсутствии дефектов для
описания значения разности потенциалов
U0 справедливо равенство:£/ =24li„£±A.па а- АДля пластины данное выражение
принимает существенно более сложный
вид и зависит от соотношения толщины
Гок и расстояний между электродами. Так,
например, для практически важного слу¬
чая, характеризуемого условием а » Гок,
значение разности потенциалов может
быть найдено из выражения:°токОпишем влияние дефекта глубиной
йд и шириной 6, ориентированного пер¬
пендикулярно к силовым линиям тока, на
значение измеряемой разности потенциа¬
лов ид для электропроводящего полупро-
500Глава 5. ЭЛЕКТРОПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ И ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ МЕТОДЫТоковыеэлектродыИзмерительные
электродыПодставив значения f/0 и С/д в выпа
жение электропроводящего полупростран'
ства, для U' получим:In£/' =-а + АInа + Д
а-АПуть обтекания
током дефекта
/ = 2/гд+2аРис 5.2. Схема расположения электродов
при измерении глубины трещиныстранства (см. рис. 5.1, б). Механизм
влияния дефекта представим как удлине¬
ние пути тока, вынужденного огибать де¬
фект. Согласно схеме, изображенной на
рис. 5.2, удлинение пути / = 2кд + Ь. Тогда
выражение для С/д, при условии, что
b/hR « 1 принимает вид:ТТ = 2J° In a + A + 2ha
д *яа а- АПолученное выражение показывает
характер влияния глубины дефекта /гд на
значение информативного параметра С/д.При дефектометрии электропотенци-
альным методом реализуется общеприня¬
тый в НК подход к отстройке от влияния
на результат измерения информативного
параметра неконтролируемых факторов. В
данном случае такими факторами являют¬
ся электрофизические параметры среды и
параметры источника электрического то¬
ка, а сущность подхода заключается в пе¬
реходе от абсолютных измерений к изме¬
рениям относительным. Наряду с измере¬
нием ид при дефектометрии определяют
U0 на заведомо бездефектном участке по¬
верхности, а о качестве контролируемого
участка ОК судят по значению относи¬
тельной разности потенциалов U\ опре¬
деляемому из выражения:= 0.иЛчто свидетельствует об отстройке от влия¬
ния на результат контроля значений плот¬
ности тока J0 и удельной электрической
проводимости материала а.Таким образом, значение относи¬
тельной разности потенциалов определя¬
ется, в основном, только глубиной дефек¬
та кд и расстоянием между токовыми и
потенциальными электродами (соответст¬
венно значениями а и Д).Практический интерес при дефекто¬
метрии имеет анализ зависимости искомо¬
го значения глубины дефекта кц от изме¬
ренного значения U'. Указанная зависи¬
мость имеет вид:а + Аh = д 2а + Аехр( U’ \па + А |-1а + А
а-Аа-А-1Анализ полученного выражения по¬
казывает, что зависимость йд = / (£/') в
общем случае нелинейная и во многом
зависит от соотношения а и Д. При этом
для наиболее распространенного случая,
когда а » А, выражение может быть
представлено практически линейной зави¬
симостью вида:А Цд-Ц02 UnБолее детальное исследование зави¬
симостей для /гд, полученных как для по¬
стоянного, так и для переменного токов,
свидетельствует о следующем:- влияние ширины трещины на зна¬
чение U* наблюдается практически только
при отношении ширины к глубинеЫкЛ >0,1;
ЭЛЕКТРОПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ МЕТОД501I - для постоянного тока линейность
Зависимости йд = flU') сохраняется при
I условии кд< а, а для переменного тока -
ijipH условии /гд < 5Т независимо от рас-
| ^ояния а между токовыми электродами;I - линейность зависимости ha =|яарушается при /гд> я, /гд > 5Т, а также при
расположении потенциальных электродов
s вблизи токовых, когда поле тока в зоне
контроля существенно неоднородно даже
при отсутствии дефектов.Алгоритм реализации метода изме-
' рения глубины дефекта с отстройкой от
\ влияния параметров ОК и режимов кон¬
троля, таким образом, заключается в
; следующем:- измеряется значение разности по-
: тенциалов U0 на бездефектном участкеОК;- измеряется значение разности по-
; тенциалов UR на исследуемом дефектномучастке ОК;- рассчитывается значение U' =; = t/r (с/0, ОД;- рассчитывается значение глубины
дефекта /гд = /*д(£/', а, А).1 Следует отметить, что вычислитель-
) ные процедуры автоматически реализуют¬
ся средствами контроля в зависимости от
установленных значений параметров а и А.5.1.3. Области использованияЭлектропотенциальные методы НК
применяются для контроля деталей и заго¬
товок из практически любых электропро-
< водящих материалов: чугунов, сталей,
цветных сплавов, графитов.К числу направлений использования
данных методов следует отнести измере¬
ние толщины стенок деталей, в частности
труб; измерение толщины металлических
покрытий на электропроводящих и изоля¬
ционных основаниях; контроль анизотро¬
пии электрических и магнитных свойств
ОК, обусловленной приложением к нему
механических напряжений; контроль рас¬
слоений в толстолистовом металле в про¬
цессе обрезки поперечных и продольныхкромок; контроль качества паяных соеди¬
нений.Наиболее приоритетным направлени¬
ем использования данных методов, одна¬
ко, является измерение глубины трещин.
Электропотенциальный метод является
практически единственным методом,
обеспечивающим возможность простого и
достоверного измерения глубины поверх¬
ностных трещин в диапазоне от 0,1 до
120 мм. При этом наиболее эффективно
выявляются трещины усталостного про¬
исхождения, являющиеся наиболее опас¬
ными с точки зрения внезапных отказов
изделий и возникновения аварийных си¬
туаций. В этой связи электропотенциаль¬
ный метод широко используется для про¬
ведения исследований кинетики развития
усталостных трещин. При решении этой
задачи важным свойством метода является
возможность не только фиксации момента
зарождения трещины и измерения ее глу¬
бины, но и исследования фронта развития
трещины внутрь ОК.Специфика данного метода делает
наиболее эффективным его совместное
использование с методами НК других ви¬
дов, имеющими низкие пороги чувстви¬
тельности при дефектоскопии, но не по¬
зволяющими точно определять глубину
дефекта (с магнитопорошковыми, капил¬
лярными, вихретоковыми и др.). Совмест¬
ное применение методов существенно
повышает эффективность контроля и точ¬
ность дефектометрии и широко использу¬
ется при контроле состояния трубопрово¬
дов, работающих под высоким давлением,
транспортного и энергетического обору¬
дования.Электропотенциальный метод дефек¬
тометрии имеет ограничение области при¬
менения. Достоверность оценки толщины
ОК и глубины трещины во многом зави¬
сит от однородности и изотропности элек¬
трофизических свойств материала ОК,
прежде всего, его удельного электриче¬
ского сопротивления. Именно этим факто¬
ром определяется предельно допустимая
502Глава 5. ЭЛЕКТРОПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ И ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ МЕТОДЫточность измерения указанных размерных
параметров ОК.Еще одним ограничением является
то, что при измерении глубины поверхно¬
стного дефекта электропотенциальный
метод работоспособен при условии суще¬
ственной линейной протяженности дефек¬
та, что характерно для трещин (длина де¬
фекта должна, как минимум, в 3 раза пре¬
вышать его глубину). Если это условие не
выполняется, то существенно возрастает
влияние на U' составляющих тока, охва¬
тывающих края дефекта, при снижении
влияния /гд на U’. Поэтому электропотен¬
циальный метод, эффективно оцениваю¬
щий глубину трещины, оказывается порой
мало пригодным для определения геомет¬
рических параметров таких дефектов, как
раковины, лунки, объемные включения,
поры и т.п.5.1.4. Технические основыТехнические средства, реализующие
электропотенциальные методы НК, могут
быть как специализированными, так и
универсальными, пригодными для изме¬
рения и толщины ОК, и глубины трещин.
Приборы включают, как правило, сле¬
дующие основные элементы: источник
стабилизированного постоянного или пе¬
ременного (гармонического или импульс¬
ного) тока; усилитель; детектор (для пере¬
менного тока); отсчетное устройство (ана¬
логовое или цифровое). При этом важ¬
нейшими элементами средств контроля
являются токовые и потенциальные элек¬
троды, с помощью которых осуществляет¬
ся электрический контакт с ОК при подве¬
дении к его поверхности электрического
тока и измерении информативного пара¬
метра.Выпускаются электроды (их называ¬
ют также щупами) различного конструк¬
тивного исполнения, что позволяет вы¬
брать наиболее удобный вариант в зави¬
симости от конструктивных особенностей
ОК и решаемой задачи НК. Обычно элек¬
троды конструктивно объединяют в зонды(головки, терминалы), соединяемые кабе
лем с электронным блоком. Для обеспече"
ния надежного электрического контакта "
поверхностью ОК за счет создания повы
шенного давления в контактной зоне элек
троды выполняют заостренными и под
пружиненными. При их установке, таким
образом, осуществляется заданный при¬
жим электродов к контролируемой по¬
верхности по фиксированной малой пло¬
щади.Наиболее приемлемым материалом
для изготовления электродов является
закаленная сталь, обеспечивающая высо¬
кую износостойкость электродов, необхо¬
димую для длительного сохранения их
острых кромок.В практике НК используют, в основ¬
ном, два вида зондов - четырехэлектрод¬
ные и трехэлектродные. Четырехэлек¬
тродный зонд включает два токовых и два
потенциальных электрода, расположен¬
ных соответственно на расстоянии 2а и 2А
согласно схеме на рис. 5.2. Конструктивно
эти зонды выполняются с различным зна¬
чением а. При измерении толщины ОК
используются зонды с расстоянием между
электродами, как правило, более 13 мм, а
при контроле глубины трещины выбира¬
ется зонд со значением этого расстояния в
зависимости от требуемого диапазона из¬
мерения (для больших значений /*д вы¬
бирают зонды с большим значением а, при
этом обычно а < 6,5 мм).Трехэлектродный зонд содержит два
потенциальных электрода, расположен¬
ных на расстоянии 2Д друг от друга, и
один токовый электрод. Второй токовый
электрод в данном случае выполняется в
виде выносного элемента, снабженного
магнитом для оперативного закрепления в
требуемой точке поверхности ОК. Такая
конструкция позволяет устанавливать то¬
ковый электрод на большом расстоянии от
электродов потенциальных, что обеспечи¬
вает выполнение условия а » Д и практи¬
чески исключает влияние расстояния ме¬
жду токовыми электродами на показания
ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ МЕТОД 503«учетного устройства прибора при изме¬
нении трещин различной глубины.При конструировании зондов особое
^мание уделяется обеспечению требуе-
'ф точности задания расстояния 2Д, не¬
посредственно влияющего на точность
измерения Ад.; Метрологическое обеспечение сред-
электропотенциального НК основыва¬
йся на использовании аттестованных кон¬
сольных образцов с искусственными де¬
фектами заданных размеров или пластин
Заданной толщины. В некоторых приборах
i применяются электронные имитаторы
:i дефекта, моделирующие дефект путем
{создания образцовых сигналов с помощью
^специальных образцовых измерительных
| цепей.j 5.2. ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ МЕТОДIj 5.2.1 Физические основыЭлектроискровой метод используется
ря обнаружения нарушений сплошности
диэлектрических защитных покрытий на
электропроводящих ОК и для обнаруже-
| ния сквозных пор и трещин в диэлектри-
1 ческих ОК. Электроискровой метод осно¬
вывается на регистрации возникновения
электрического пробоя в ОК или на его
участке.Пробой твердых диэлектриков - это
потеря диэлектриком диэлектрических
свойств при наложении электрического
поля напряженностью выше определенно¬
го значения. При пробое диэлектриков
электропроводность резко возрастает, и
диэлектрик становится проводником. Кри¬
тическое значение напряженности элек¬
трического поля, при котором происходит
пробой диэлектриков Unp, называется
электрической прочностью диэлектрика.В сильных электрических полях про¬
текание тока через диэлектрик не подчи¬
няется закону Ома. Ток возрастает с на¬
пряжением примерно экспоненциально и
затем при некотором значении напряжен¬
ности поля увеличивается скачком до
очень больших значений. Протеканиебольших токов ведет к разрушению мате¬
риала, а диэлектрические свойства в
большинстве случаев после снятия напря¬
жения не восстанавливаются. Основные
формы пробоя твердых диэлектриков -
тепловая и электрическая.Тепловой пробой в общих чертах
развивается следующим образом. При по¬
вышении напряжения увеличивается ко¬
личество тепла, выделяемое в диэлектри¬
ке, и, следовательно, повышается темпе¬
ратура. Так как для диэлектриков электро¬
проводность увеличивается с температу¬
рой по экспоненте, то повышение темпе¬
ратуры в свою очередь вызывает увеличе¬
ние тока. Стационарное состояние воз¬
можно до тех пор, пока тепловыделение
не превышает теплоотвода. При некоторой
напряженности поля это условие наруша¬
ется.При тепловом пробое наблюдается
также зависимость Unp от времени прило¬
жения напряжения, условий теплоотвода и
частоты переменного напряжения. Зави¬
симость t/np от частоты связана с зависи¬
мостью от частоты активного сопротивле¬
ния диэлектрика. Теоретически при лю¬
бом значении сопротивления диэлектрика
должен наступить тепловой пробой.При больших значениях удельного
электрического сопротивления (р) или
малых временах приложения напряжения
и низких температурах еще до наступле¬
ния теплового пробоя может наступить
электрический пробой диэлектрика. В
отличие от теплового пробоя, электриче¬
ский пробой является нарушением не теп¬
лового равновесия диэлектрика, а стацио¬
нарного режима электропроводности.Для электрического пробоя твердых
диэлектриков характерно слабое увеличе¬
ние электрической прочности с темпера¬
турой, сильная зависимость измеряемой
электрической прочности от степени од¬
нородности электрического поля, отсутст¬
вие зависимости в однородном электриче¬
ском поле от времени приложения напря¬
504Глава 5 ЭЛЕКТРОПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ И ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ МЕТОДЫжения вплоть до времен порядка 10'7 сПри помещении образца диэлектрика
между электродами часто наблюдается
появление искровых разрядов вдоль его
поверхности, которые переходят в дуговой
разряд (поверхностный пробой) Напря¬
жение поверхностного пробоя обычно
меньше напряжения пробоя воздуха при
том же расстоянии между электродами
Поверхностный пробой - это пробой
воздуха, осложненный присутствием ди¬
электрика Наличие на поверхности ди¬
электрика зарядов и различие диэлектри¬
ческих проницаемостей и проводимостей
воздуха и диэлектрика приводят к силь¬
ному искажению электрического поля
Это и снижает Unp воздуха при поверхно¬
стном пробое5.2.2. Технические основыВысокое переменное, импульсное
или постоянное напряжение может при¬
кладываться между электропроводящим
основанием ОК и специальным электро¬
дом на покрытии, или между двумя элек¬
тродами, расположенными с противопо¬
ложных сторон диэлектрического ОКЕсли в диэлектрике, к которому при¬
ложено высокое напряжение, имеются
канальные поры или трещины, то в этом
месте возникает коронный или искровой
разрядКоронный разряд - один из видов
разряда в газе при нормальном давлении
(порядка 105 Па) в сильно неоднородном
электрическом поле Коронный разряд
возникает на электродах с малым радиу¬
сом кривизны (острия, тонкие проволоки и
т п)Ионизация и возбуждение молекул
газа при коронном разряде происходят
лишь в небольшой области вблизи коро-
нирующего электрода, в остальной части
разрядного промежутка происходит неса¬
мостоятельный разряд Сопротивление
этой ’’темной" области разряда определяет
ток в цепи разрядного промежуткаВ соответствии с полярностью коро-
нирующего электрода коронный разряд
называется отрицательной или положи¬
тельной короной Механизмы развития
каждого из этих двух видов разряда раз-
личныВ случае отрицательной короны
положительные ионы, образованные элек¬
тронными лавинами, движутся к катоду и
ударяясь о его поверхность, приводят к
выделению электронов за счет вторичной
электронной эмиссии В тоже время, элек¬
троны из короны, попадая в "темную" об¬
ласть, прилипают к нейтральным молеку¬
лам и образуют отрицательные ионы, ко¬
торые являются основными носителями
тока в "темной" области Пространствен¬
ный заряд, образуемый вблизи анода от¬
рицательными ионами, ограничивает об¬
щий разрядный ток В случае чистых
электроположительных газов отрицатель¬
ные ионы не образуются и носителями в
"темной" области являются электроны.
Экспериментально показано, что введение
в чистый электроположительный газ не*
большого количества электроотрицатель¬
ного газа резко уменьшает разрядный ток
при прочих равных условияхПри положительной короне като¬
дом является электрод с небольшим ра¬
диусом кривизны В этом случае электро¬
ны, образующие лавины, рождаются не за
счет вторичной эмиссии, так как поле у
катода очень мало, а вследствие объемной
фотоионизации газа вблизи анода фотона¬
ми, генерируемыми в коронирующбм
слое Положительные ионы, двигаясь чё-
рез "темную" область к катоду, образуют
пространственный заряд, которой снова
ограничивает величину разрядного тока. -Для возникновения коронного разряд
да в воздухе необходимо, чтобы при за¬
данном напряжении величина напряжен¬
ности поля на поверхности электрода бы¬
ла не меньше начальной напряженности
поля короны Ек, которая определяется эм¬
пирической формулойЕк = 318(1+ 0,308/д/бТ^ь").
ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ МЕТОД505:$е Ек - начальная напряженность поля
к0роны, кВ/см, 5В - плотность воздуха,
отнесенная к плотности при атмосферном
давлении и температуре 25 °С, г0 - радиус
бронирующего цилиндрического прово¬
да.Наряду со стационарным протекани¬
ем тока в коронном разряде имеют место
прерывистые явления, благодаря которым
коронный разряд служит источником зна¬
чительных радиопомехИскровой разряд - прерывистая
форма электрического разряда в газах,
возникающая обычно при нормальном
атмосферном давлении (порядка 105 Па); В естественных природных условиях ис-
: кровой разряд легко наблюдать в виде
молнии По внешнему виду искровой раз¬
ряд представляет собой пучок ярких, бы¬
стро исчезающих или сменяющих друг
друга нитевидных, часто сильноразветв-
ленных полосок - так называемых искро¬
вых каналов. Эти каналы развиваются как
от положительного, так и от отрицатель¬
ного электродов либо начинаются в про¬
странстве между ними При этом каналы,
развивающиеся от положительного элек¬
трода, имеют четкие нитевидные очерта¬
ния, а развивающиеся от отрицательного -
диффузные края и более мелкое ветвле¬
ниеИскровой разряд как конечная стадия
развития возникает при мощности источ¬
ника тока, недостаточной для поддержа¬
ния стационарного дугового или тлеюще¬
го разряда Напряжение зажигания искро-
' вого разряда достаточно велико, однако
после пробоя разрядного промежутка, ко¬
гда его сопротивление становится очень
малым, в цепи возникает импульс тока
большой силы, напряжение на разрядном
промежутке падает до значения, меньшего
напряжения погасания искрового разряда,
и разряд прекращается После этого на¬
пряжение на разрядном промежутке вновь
повышается до прежней величины, и про¬
цесс повторяется Максимальная сила тока
в импульсе при искровом разряде изменя¬
ется в широких пределах в зависимости отпараметров цепи разряда и условий в раз¬
рядном промежутке, достигая значения
порядка нескольких сотен кАМеханизм пробоя разрядного проме¬
жутка при искровом разряде может быть
понят на основании стримерной теории
пробоя, согласно которой для пробоя раз¬
рядного промежутка необходимо выпол¬
нение двух условий- должно существовать определенное
количественное соотношение между по¬
лем пространственного заряда лавины и
внешним приложенным полем,- головка лавины должна излучать
фотоны в количестве, достаточном для
под держания и распространения стримераДля коротких разрядных промежут¬
ков достаточно соблюдения одного перво¬
го условияВ случае сильно неоднородного поля
при разряде с острий может возникнуть
особая форма искрового разряда - кисте¬
вой разряд, отличающийся от собственно
искрового разряда тем, что его каналы не
пронизывают всего разрядного промежут¬
ка, а их пучок, выделяющийся на фоне
общего слабого свечения газа, во много
раз гуще наблюдаемого глазом пучка ка¬
налов искрового разряда Кистевой разряд
имеет много общего с коронным разря¬
дом, вследствие чего его можно рассмат¬
ривать как коронный разряд на острие с
резко выраженными прерывистыми явле¬
ниямиИскровой разряд широко применяет¬
ся в технике для инициирования взрывов
или процессов горения, в качестве источ¬
ника света, для измерения высоких на¬
пряжений, для резки, сверления и точной
обработки металлов, а также НКЭлектроискровые дефектоскопы
обычно содержат источник регулируемого
высокого напряжения в пределах 0,5
40 кВ, электронный блок, набор электро¬
дов и вспомогательных устройств (пру¬
жинные зажимы, магнитные контакты) С
помощью электронного блока регулируют
испытательное напряжение, подсчитывают
506Глава 5. ЭЛЕКТРОПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ И ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ МЕТОДЫ| СПЛОШНОЙ КОНТРОЛЬ"Подвеска трубопровода
трубоукладчиком
J\ Наконечник
щупаТруба 0325 мм? Втулка=&—дф.Трубопровод6 щ\ДержательРис. 5.3. Контроль изоляционного
покрытия стальных труб электроискровым
дефектоскопом "Крона -2ИМ" с
применением схватывающего электрода:1 - блок управления и контроля; 2 - трансфор¬
матор высоковольтный; 3 - стержень;4 - держатель; 5 - щуп для сплошного
контроля; 6 - провод заземления; 7 - магнит-
заземлитель; 8 - штырьчисло пробоев. Он содержит электронные
устройства световой и звуковой сигнали¬
зации о пробое, блокировки высокого на¬
пряжения при коротких замыканиях элек¬
тродов на основании ОК или непреднаме¬
ренном касании электродов оператором.Рис. 5.4. Функциональная схема
дефектоскопа "Крона -2ИМ":1 - блок индикации и клавиатуры; 2 - блок
управления; 3 - блок питания; 4 - сигнализа¬
тор; 5 - блок преобразователя с регулятором
напряжения; 6 - высоковольтный трансформа¬
тор с емкостным делителем; 7, 9 - делители
напряжения; 8 - высоковольтный трансформа¬
тор с выпрямителем и реостатным делителем;10 - детектор искрового пробоя; И - щуп;12 - трубопровод; 13 - заземлительТруба 0530 ммТруба 0820 мм / Н™пель f 2-т*~,~—/Ат¥/ ДержательПружинаРис. 5.5. Пример набора щупов
для дефектоскопа "Крона -2ИМ":а - внешний вид набора щупов (1-4 типораз¬
мер щупов для сплошного контроля, см.
табл. 5.1); б - комбинированный щуп в разрезеЭлектроды имеют различные вариан¬
ты исполнения, что позволяет контроли¬
ровать как плоские поверхности, так и
наружные и внутренние поверхности труб,
а также поверхности сплошной формы.Электроискровые дефектоскопы ис¬
пользуют для контроля качества диэлек¬
трических покрытий толщиной до 10 мм
из эпоксидных смол, полимерных мате¬
риалов, битума, эмали, стекла, лаков и
красок, позволяя обнаруживать такие де¬
фекты, как трещины, царапины и т.п.Ниже описаны возможности одного
из массовых электроискровых дефекто¬
скопов типа "Крона-2ИМм, широко при-
ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ МЕТОД5075.1. Типоразмеры щупов дефектоскопов типа "Крона-2ИМ" и их комбинаций: диаметр трубопро-
г вода, ммДлина окружно¬
сти трубопрово¬
да, ммТипоразмер щупа
дли сплошного кон¬
троляДлина пружины,
ммПримечание-0400Основные щупы1 2196381650) 2457692735] 2738573840} 32510204980355,611020+11050Комбинированныещупыj 37711830 + 21135] 42613380 + 31240| 53016642+315751 63019783 + 41820! 72022600+1+42030I! о1 (N
1 00125751 +2+42365102032030+2+3+42955122038310+1+2+3+43605I 142044590+1+2+3+43605' меняемого при строительстве нефтегазо-
| вых трубопроводов. Схема контроля
I сплошности полимерных, эпоксидных,
! эмалевых и битумных защитных (изоля-
: ционных) покрытий представлена на
I рис. 5.3, а функциональная схема дефекто-
! скопа-на рис. 5.4.I Для подвода электрического напря-
J жения к поверхности изоляционного по¬крытия трубопроводов используются вы¬
соковольтные щупы, представляющие со¬
бой пружины, выполненные из стальной
проволоки диаметром 3 мм. В зависимо¬
сти от условий контроля используются
различные типоразмеры основных щупов
и их комбинации посредством соединения
пружин между собой ниппелем (табл. 5.1
и рис. 5.5).
Глава 6
МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯОдним из наиболее распространен¬
ных электропараметрических методов НК
является метод электрического сопротив¬
ления, сущность которого заключается в
контроле технического состояния ОК пу¬
тем измерения значения его активного
электрического сопротивления R или
электрической проводимости (электро¬
проводности) g.К числу объектов, эффективно кон¬
тролируемых данным методом, относятся
различные изделия из электропроводящих
материалов, металлы, неметаллические
твердые, жидкие и газообразные материа¬
лы, узлы трения машин и механизмов
(подшипники и опоры качения, скольже¬
ния, зубчатые сопряжения) и др. При этом
решаются задачи толщинометрии, термо¬
метрии, контроля влагосодержания, уров¬
ня и концентрации, дефектоскопии, кон¬
троля отклонений формы поверхностей,
комплексного диагностирования и про¬
гнозирования состояния механических
ОК. В зависимости от решаемой задачи,
материала и конструктивных особенно¬
стей ОК методы электрического сопро¬
тивления основываются на различных
принципах (физических и химических
явлениях), имеют свою специфику и осо¬
бенности практической реализации. Рас¬
смотрению этих вопросов посвящена дан¬
ная глава.6.1. КОНТРОЛЬ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ИЗДЕЛИЙФизическая сущность. При контро¬
ле изделий из электропроводящих мате¬
риалов, прежде всего металлов, метод
электрического сопротивления по своей
сущности и технической реализации бли¬
зок к рассмотренному выше (глава 5)
электропотенциальному методу: ОК под¬ключают к источнику электрического тока
и определяют активное электрическое со¬
противление путем измерения падения
напряжения на контролируемом участке
ОК.На рис. 6.1 представлена модель
электропроводящего ОК, имеющего
удельное электрическое сопротивление р
и геометрические размеры, определяющие
площадь S поперечного сечения. Активное
электрическое сопротивление R измеряет¬
ся на участке между сечениями 7 и 2. В
общем случае параметры р и S переменны
по длине / OK: р = р(/), S = S(l), поэтому
выражение для сопротивления R имеет
вид:Если в ОК можно принять р = const и
S = const, то формула для R существенно
упрощается:Представленные выражения свиде¬
тельствуют, что для электропроводящего
ОК измеренное значение R на его участке
несет информацию об электрофизических
свойствах материала контролируемого
участка (об удельном электрическом со¬
противлении р) и о его геометрических
размерах (о площади поперечного сече¬
ния S при заданной длине / или о длине /
при заданной площади S). В этой связи
основными направлениями использования
метода электрического сопротивления при
контроле ОК из электропроводящих мате¬
риалов являются определение геометриче¬
ских параметров ОК и контроль парамет¬
ров материала ОК, влияющих на его
удельное электрическое сопротивление р.
КОНТРОЛЬ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ509Толщинометрия электропроводя¬
щих пленок и покрытий на изоляцион¬
ной основе - это одна из основных задач,
эффективно решаемых методами электри¬
ческого сопротивления (метод первого
направления). В качестве примера рас¬
смотрим метод измерения толщины мед-
лого покрытия в отверстиях печатных
плат. Типовые технологические процессы
изготовления двухсторонних и много¬
слойных печатных плат предусматривают
металлизацию отверстий. Цель металли¬
зации - обеспечение электрического со¬
единения проводников на противополож¬
ных сторонах двухсторонних плат и слоев
многослойных плат, а также повышение
надежности паяных соединений. Важней¬
шим параметром, определяющим эксплуа¬
тационные характеристики платы, в част¬
ности ее надежность, является обеспече¬
ние заданной толщины Гок медного по¬
крытия, которая не должна быть меньше
регламентированного значения.При контроле толщины медного по¬
крытия стенок отверстия рассматривае¬
мым методом измеряется активное сопро¬
тивление образованной покрытием элек¬
тропроводящей трубки. На рис. 6.2 пред¬
ставлена схема, поясняющая реализацию
метода НК печатных плат. Измеренное
значение сопротивления R при известных
значениях толщины платы I (длина труб¬
ки), диаметра металлизируемого отвер¬
стия d0TB и удельного электрического со¬
противления меди реи однозначно харак¬
теризует толщину покрытия Ток:% _ 4/рСц 1Рси .я[ отв + 2^ок ) _ ^отв ] ^отв ^окт ~ ^Си
ок ~ 4>тв R ‘Измеряемое значение сопротивления
весьма мало и соизмеримо с контактным
сопротивлением при подключении ОК к
средству контроля, поэтому одной из ос¬
новных проблем реализации данного ме-Рис. 6.1. К расчету электрического сопро¬
тивления участка электропроводящего ОКтода является снижение влияния контакт¬
ного сопротивления на результаты изме¬
рения R.Решение этой проблемы достигается
использованием специальной конструкции
электродов для подключения к ОК. Каж¬
дый из двух электродов выполнен в виде
усеченного конуса, прижимаемого с по¬
мощью пружин к торцу контролируемого
отверстия (рис. 6.2, а). Тело усеченного
конуса 7 (2) выполняет роль токового
электрода, а врезанная в него металличе¬
ская пластина 3 (4), отделенная от основ¬
ного тела с помощью изоляционной про¬
кладки 5 (б), выполняет роль потенциаль¬
ного электрода. Коническая поверхность
электродов обеспечивает их хорошее са¬
моцентрирование в отверстии и снижение
за счет этого погрешности измерения R из-
за неоднородности поля токов в зоне кон¬
тактирования потенциальных электродов.а) б)Рис 6.2. Схема подключения электродов (а)
и эквивалентная электрическая схема (б)
при измерении толщины металлического
покрытия отверстия печатной платы мето¬
дом электрического сопротивления:
7,2- токовые электроды; 3,4- потенциальные
электроды; 5,6- изоляционные прокладки
510Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯа) б)Рис. 6.3. Схема подключения электродов (а)
и эквивалентная электрическая схема (б)
при поиске дефектов плоского ОК методом
электрического сопротивления:1 - ОК; 2,5 - токовые электроды;3,4- потенциальные электроды;6 - переходное контактное сопротивлениеТаким образом реализуется четы¬
рехэлектродная (ее называют также че¬
тырехпроводной) схема измерения со¬
противления (на рис. 6.2, б представлена
эквивалентная электрическая схема), при
которой переходные сопротивления токо¬
вых контактов 7 и 2 (соответственно RTK\ и
Rtk2) не влияют на значение измеряемого
напряжения U, переходные сопротивления
потенциальных контактов 3 и 4 (соответ¬
ственно Дпк3 и Япк4) пренебрежимо малы
по сравнению с входным сопротивлением
измерителя напряжения и, следовательно,
также практически не влияют на U, а из¬
меренное значение U при неизменном то¬
ке I пропорционально искомому значению
сопротивления металлического покрытия
отверстия: R = U/LДефектоскопия плоских ОК также
может быть осуществлена методом элек¬
трического сопротивления. Сущность это¬
го метода поясняется рис. 6.3. Два токо¬
вых электрода 2 и 5 прижимаются к про¬
тивоположным сторонам плоского OK 1
толщиной Ток (рис 6.3, а). Потенциальные
электроды 3 и 4 служат для измерения
создаваемого между сторонами ОК паде¬
ния напряжения U. Конструктивно элек¬
троды выполнены таким образом, что, по
аналогии с методом толщинометрии
(см. рис. 6.2), реализуется четырехпровод¬
ная схема измерения сопротивления
(рис. 6.3, б), когда контактные сопротив¬ления токовых и потенциальных электп
дов практически не оказывают влияния на
измеренное значение R.Значение R в данном случае может
рассчитываться по обычной зависимости
при этом, однако, вводится понятие Эф!
фективной площади 5эф поперечного сече¬
ния, по которой проходит ток I от элек¬
трода 5 к электроду 2. Линии тока в ре¬
альном ОК образуют бочкообразную фор¬
му (рис. 6.3, а), объем которой может быть
условно заменен эквивалентным цилин¬
дром с длиной, равной толщине ОК
(/= Ток), и площадью поперечного сечения
5Эф, обеспечивающей сопротивление экви¬
валентного цилиндра, равное измеренному
значению сопротивления R:Попадание дефектного участка ОК в
зону контроля приводит к искажению ли¬
ний тока и, соответственно, к изменению
измеренного значения сопротивления R.
Указанное явление положено в основу
метода поиска дефектов ОК по его элек¬
трическому сопротивлению. При реализа¬
ции метода осуществляется сканирование
ОК путем задания относительного пере¬
мещения ОК и комплекта электродов по
заданной траектории, обеспечивающей
контроль всего ОК. О наличии и местопо¬
ложении дефекта судят по существенному
изменению (всплеску) значения электри¬
ческого сопротивления R при сканирова¬
нии ОК с экстремумом, соответствующим
нахождению дефекта на линии располо¬
жения потенциальных электродов.6.2. КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЙ
КОНТРОЛЬ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛОВМетоды электрического сопротивле¬
ния эффективно применяются в качестве
косвенных методов анализа жидкостей и
газов; определения концентрации раство¬
ров; контроля уровня; измерения и кон¬
троля содержания влаги в твердых (листо-
] КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 511зЬ1х, пленочных, порошкообразных, зер-
'достых и т.п.), неводных жидких и газо¬
образных материалах и т.д. При реализа¬
ций данных методов, которые называют
*еще кондуктометрическими, состояние
Материала ОК оценивается путем измере¬
ния ег° активного сопротивления или
\ электрической проводимости.J Кондуктометрические методы срав¬
нительно просты в аппаратной реализа¬
ции, выходные сигналы могут использо¬
ваться для регулирования различных про¬
цессов и производств, поэтому данные
\ методы широко используются как в лабо-
I раторных, так и в производственных усло-
.! виях.■] 6.2.1. Методы и средства анализа
5 жидкостей и газовСущность метода анализа жидко¬
стей. Одним из эффективных направле¬
ний использования кондуктометрического
метода является анализ жидкостей и газов
’ путем оценки концентрации различных
: веществ. В растворах электролитов часть
; молекул диссоциирует на положительно■ заряженные ионы (катионы) и отрица-4 тельно заряженные ионы (анионы). Это
\ явление придает растворам способность
I проводить электрический ток. В качестве
принципа контроля в данном случае ис¬
пользуется явление повышения электро-
’ проводности раствора электролита с уве-- личением концентрации растворенного в
! нем вещества.Степень электролитической дис¬
социации аД определяется отношением
числа диссоциировавших молекул электро¬
лита к общему их числу в растворе. С
ростом разбавления, т.е. при уменьшении
концентрации (Q, степень диссоциации
нарастает. В пределе, при бесконечном
разбавлении раствора все молекулы соот¬
ветствующего вещества будут диссоции¬
рованы, т.е. Нтал = 1.
с->оРазличают слабые и сильные элек¬
тролиты. Слабые электролиты (большин¬ство органических и некоторые из неорга¬
нических кислот и оснований, например,
уксусная кислота, аммиак, фосфорная ки¬
слота и т.п.) диссоциируют сравнительно
слабо. Сильные электролиты (серная и
соляная кислоты, гидроокиси натрия и
калия, различные соли) диссоциируют
практически полностью. При полной дис¬
социации молекул концентрация ионов
равняется концентрации растворенного
вещества. Однако под влиянием взаимо¬
действия ионов их эффективность стано¬
вится меньше, чем ожидаемая при имею¬
щей место концентрации. Данная действи¬
тельная эффективность называется ак¬
тивностью.В соответствии с природой ионов ка¬
тионы и анионы могут иметь различную
валентность z (от 1 до 7), т.е. нести от од¬
ного до семи зарядов.Удельная электропроводность у раз¬
бавленного однокомпонентного раствора
электролита описывается законом Коль-
руама:у = адСг(Пк+Па),где С - эквивалентная концентрация рас¬
твора (выраженная в г-экв. растворенного
вещества в 1 см3 раствора); Пк и Па - под¬
вижность катионов и анионов соответст¬
венно.Вид зависимости удельной электро¬
проводности у раствора от концентрации
электролита зависит от химического со¬
става последнего и значения концентра¬
ции. Для разбавленных растворов зависи¬
мость практически линейная (рис. 6.4, а).
Линейность сохраняется при концентра¬
ции, не превышающей 100 г/м3, когда си¬
лы электростатического межионного
взаимодействия незначительны. С увели¬
чением концентрации указанные зависи¬
мости становятся нелинейными, а порой
неоднозначными (рис. 6.4, б). Это свойст¬
во зависимости удельной электропровод¬
ности раствора от концентрации ограни¬
чивает верхний предел измерения концен¬
трации кондуктометрическим методом.
512Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯY‘10,См/смH^NaOH NaCI *HCl/ / Ыа^оУкСКт cr. ct
<-, /j yN?£°4 о,:aN030,6NaHCO,0,40,210 20 С, мг/jTHCI /"■HN03С'кон\ \I iff J¥j*jcciЩРС>4у,S04<№0'cuSQ,sNaO]ENX0 20 40 60 80 С,%шсРис.6.4. Зависимости удельной электропроводности растворов от концентрацииПри измерении электропроводности
на практике измеряется электрическое
сопротивление между двумя электродами,
помещенными в контролируемую среду. В
общем случае раствор электролита, яв¬
ляющийся частью электрической цепи,
при определенных условиях может рас¬
сматриваться как проводник, электриче¬
ское сопротивление R которого определя¬
ется выражением, ранее полученным для
проводников:р 111R = p— = ,S у Sгде р = 1/у - удельное электрическое со¬
противление раствора; / - расстояние ме¬
жду двумя электродами; S - площадь
электродов.При измерении R значения / и S яв¬
ляются характеристиками измерительных
электродов и измерительной ячейки в це¬
лом (/ = const и S = const). Введя понятие
электродной постоянной кк = l/S = const
(величину называют также константой
измерительной ячейки), путем преобразо¬
вания представленного выше выражения
получим зависимость для определения
искомого значения электропроводности
раствора, несущего информацию о егоконцентрации:■kJR.Значение кк определяется экспери¬
ментально путем помещения в измери¬
тельную ячейку образцового раствора с
известной электропроводностью уоб, изме¬
рения его сопротивления Ro6 и расчета кк
из выражения:К — Y об *об •Следует отметить, что каждое веще¬
ство, присутствующее в растворе, оказы¬
вает влияние на его общую проводимость
в соответствии с величиной своей собст¬
венной проводимости. У слабо концентри¬
рованных растворов проводимости от¬
дельных веществ можно суммировать.
Поэтому измеренная электропроводность
характеризует полную концентрацию раз¬
личных компонентов в растворе, а кон¬
центрацию одного из компонентов (кон¬
тролируемого) можно определить только в
случае, когда выполняется одно из сле¬
дующих условий:- электропроводность других компо¬
нентов значительно ниже;- концентрация других компонентов
остается постоянной и не вызывает изме¬
нений проводимости;
КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 513рис. 6.5. Схема кондуктометрического
сигнализатора уровня жидких и сыпучих
| материалов:| 1- электрод; 2 - реле■I - концентрация других компонентов
изменяется пропорционально концентра¬
ции контролируемого компонента.Сущность метода анализа газов.
Кондуктометрический метод широко ис-
: пользуется и при анализе газовых смесей.^ Такой анализ базируется на предваритель-■ ном растворении (взаимодействии) анали¬
зируемого газа во вспомогательной жид¬
кости с последующим измерением элек¬
трической проводимости этой жидкости.Кондуктометрические газоанализато¬
ры используют химическую реакцию кон¬
тролируемого компонента газовой смеси с
раствором подходящего для этого вещест¬
ва, при этом проводимость раствора изме¬
няется в результате данной реакции. Про¬
цесс изменения проводимости продолжа¬
ется до момента установления химиче¬
ского равновесия между контролируемым
компонентом газа и возникающим в реак¬
ции химическим соединением. Состояние
равновесия является функцией концентра¬
ции контролируемого компонента в ана¬
лизируемой газовой смеси.В качестве примера, поясняющего
принцип выделения информации о кон¬
центрации контролируемого газа, рас¬
смотрим метод контроля малых количеств
углекислого газа С02. Сущность данного
метода заключается в том, что анализи¬
руемый газ вводят в суспензию ВаСОз в
воде и при неизменной температуре изме¬
ряют изменение проводимости раствора,
по установившемуся значению которой и
сУдят о концентрации С02 в газе.При взаимодействии С02 с ВаСОз
протекает реакция согласно уравнениям:ВаС03 + Н20 + С02^Ва(НС03)2,Ba(HC03)2^Ba2+ +2HCOJ.Между концентрациями Ва(НС03)2 и
С02 устанавливается равновесие. При
увеличении содержания С02 в газе кон¬
центрация Ва(НС03)2 в растворе возраста¬
ет, что вызывает увеличение электриче¬
ской проводимости последнего, поскольку
Ва(НС03)2 более растворим, чем ВаС03.
Если содержание углекислого газа снижа¬
ется, то часть Ва(НС03)2 переходит в
ВаСОз, а проводимость, соответственно,
уменьшается.Таким образом, проводимость рас¬
твора однозначно характеризует содержа¬
ние С02 в исследуемом газе. При контроле
проводимость определяется путем изме¬
рения силы тока через раствор при подве¬
дении к нему постоянного электрического
напряжения.Сущность метода контроля уров¬
ня. Кондуктометрический метод находит
широкое применение при контроле уровня
электропроводящих жидких сред и сыпу¬
чих сред с удельной электрической прово¬
димостью более 10"3 См/м. На рис. 6.5
приведена схема кондуктометрического
сигнализатора верхнего предельного
уровня жидкости. При достижении уров¬
ня жидкости значения h замыкается элек¬
трическая цепь между электродом 1 и
корпусом технологической емкости. При
этом срабатывает реле 2, контакты кото¬
рого подключены к схеме сигнализации.Принцип действия кондуктометриче-
ских сигнализаторов уровня для сыпучих
сред аналогичен.Основным конструктивным элемен¬
том рассматриваемых сигнализаторов
уровня являются электроды. Они выпол¬
няются из сталей специальных марок или
из угля, при этом угольные электроды
применяют только при контроле уровня
жидкостей.Особенности технической реализа¬
ции кондуктометрического метода изме¬
рения концентрации растворов обусловле¬^607
514Глава 6 МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯны необходимостью учета и компенсации
влияния ряда факторов, к числу которых
относятся- поляризация электродов при про¬
хождении через них тока,- зависимость проводимости раство¬
ра от его температуры,- необходимость обеспечения надеж¬
ного электрического контакта электродов
с контролируемой жидкостьюОсновным конструктивным элемен¬
том при реализации кондуктометрическо-
го метода измерения концентрации рас¬
творов является электролитические (элек¬
тродные) измерительные ячейки, куда по¬
мещается контролируемый раствор По
конструкции различают контактные и бес¬
контактные ячейки В контактных измери¬
тельных ячейках в анализируемом раство¬
ре размещают электроды В бесконтакт¬
ных ячейках гальванический контакт рас¬
твора с электродами отсутствует, при этом
реализуется электромагнитное взаимодей¬
ствие с ОКИзмерительные ячейки изготавли¬
ваются из кварца, с гекла, пластмасс Их
форма и конструкция могут быть различ¬
ными в зависимости от характера приме¬
нения При измерении электропроводно¬
сти обычно применяют платиновые элек¬
троды, которые часто покрывают плати¬
новой чернью, благодаря чему их поверх¬
ность увеличивается в несколько десятков
раз При контроле концентрации разбав¬
ленных растворов платиновая чернь не¬
пригодна, поскольку на ее поверхности
происходит адсорбция вещества Поэтому
для решения рассматриваемых задач по¬
верхность платиновых электродов лишь
делают шероховатой Наряду с платиной
для изготовления электродов используют
коррозионностойкую сталь, никель, ни¬
хром, константан и некоторые другие ме¬
таллы и сплавыПо числу электродов измерительные
ячейки подразделяются на двухэлектрод¬
ные, трехэлектродные и четырехэлектрод¬
ныеНаиболее простой является двух
электродная ячейка (рис 6 6, а\ пред
ставляющая собой камеру 1 с двумя
инертными металлическими электрода
ми 2 и 3 Ячейка заполняется или промы¬
вается контро тируемой жидкостью. С по¬
мощью электродов 2 и 3 измеряют элек¬
трическое сопротивление жидкости путем
подключения их к источнику напряже¬
ния UПри приложении к электродам по¬
стоянного напряжения U на границе ме¬
талл-электролит образуется двойной элек¬
трический слой, в пределах которого про¬
текают основные электрохимические про¬
цессы Данный слой рассматривают как
плоский конденсатор, обкладками которо¬
го являются поверхность электрода и слой
ионов, расположенных вблизи поверхно¬
сти электрода и имеющих противополож¬
ный знак заряда По мере прохождения
тока одного направления ионы, соприка¬
саясь с электродами, разряжаются и выде¬
ляются на них в виде атомов Это приво¬
дит к постоянному уменьшению силы тока
через раствор, что рассматривается как
заряд конденсатора, образованного двой¬
ными электрическими слоями Описанное
негативное явление называют поляриза¬
цией электродов Оно приводит к нели¬
нейности вольт-амперной характеристики
ячейки (рис 6 6,б)Для уменьшения поляризации элек¬
тродов переходят от постоянного тока к
переменному В случае прохождения череа
измерительную ячейку переменного тока
явление поляризации примерно на два
порядка меньше влияет на результат изме¬
рения электропроводности, причем с рос¬
том частоты тока обусловленная поляри¬
зацией погрешность измерения снижается.Наряду с поляризацией электродов
двухэлектродная измерительная ячейка
имеет еще один существенный недостаток
возможность возникновения внешней па¬
раллельной паразитной цепи тока через
систему технологических труб, емкостей и
конструкций, а также влияние внешних
электромагнитных помех и наводок
КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 515Для снижения влияния указанных
на результаты измерения элек-1ропров°Дности применяют трехэлек-
' ые измерительные ячейки (рис 6 6,*). Среднии электрод размещается между
двумя внешними электродами, соединен¬
ии между собой и обычно заземленны-
0, Такие ячейки представляют собой
фактически две двухэлектродные ячейки,
допоченные параллельно, и практически
йсключают возможность образования па¬
разитных цепейЯвление поляризации электродов
дожно практически полностью устранить,
перейдя к использованию четырехэлек-
)дной измерительной ячейки (рис 6 6,
г), в которой цепи подвода электрической
энергии к ячейке и съема измерительной
информации разделены К измерительной
ячейке 7 через токовые электроды 2 и 5
подводится стабилизированное напряже¬
ние U от источника постоянного или пе¬
ременного тока Это напряжение приводит
% возникновению тока в помещенном в
ячейку контролируемом растворе Потен¬
циальные электроды 3 и 4 служат для из¬
мерения падения напряжения U0K, созда¬
ваемого указанным током на участке меж¬
ду этими электродами При измерении U0K
с помощью компенсационного метода ток
между электродами 3 и 4 в момент изме¬
рения отсутствует, и, следовательно, они
не поляризуютсяДля анализа жидких сред, содержа¬
щих пленкообразующие и кристаллизую¬
щиеся компоненты, различные взвеси,
коллоиды, используют бесконтактные
ячейки (на рис 6 6, д представлена схема
низкочастотной бесконтактной ячейки,
работающей при частотах до 1 кГц)Анализируемая жидкость подается в
трубчатую ячейку 3, выполненную из ди¬
электрического материала На трубку сна¬
ружи намотаны обмотки двух трансфор¬
маторов - возбуждающего Ti и измери¬
тельного Т2 Обмотка 7 подключена к ис¬
точнику переменного тока и является пер¬
вичной обмоткой трансформатора Т i Рас¬
пор электролита в трубке, обладая удель-Контроли-ф
руемая—_
жидкость I -Чв)[Контролируемая
^жидкостьРис. 6.6. Схемы электроли1ических
измерительных ячеек кондуктометрических
анализаторов:а - двухэлектродная ячейка (7- камера, 2,3 -
электроды), б - вольт-амперная характеристи¬
ка, в - трехэлектродная ячейка, г - четырех¬
электродная ячейка (/ - камера, 2,5 - токовые
электроды, 3,4- потенциальные электроды),
д - бесконтактная ячейка (1 - обмотка питания,
2 - измерительная обмотка, 3 - трубчатый
сосуд)ной проводимостью у, образует замкнутый
жидкостный виток, являющийся вторич¬
ной обмоткой трансформатора Ti Оче¬
видно, что сила тока в этом витке пропор¬
циональна электропроводности контроли¬
руемого раствора Для измерительного
трансформатора Т2 жидкостный виток
выполняет роль первичной обмотки, по¬
этому ЭДС, наводимая в его вторичной
обмотке 2, зависит от тока в жидкостном
витке и, следовательно, от электропровод¬
ности и концентрации контролируемого
раствораВ практике НК жидкостей и газов для
измерения сопротивления электролитиче¬
ских измерительных ячеек применяют
различные схемы уравновешенных и не¬
уравновешенных измерительных мостов
постоянного (редко) или переменного то¬
ка При автоматизации процедуры НК ис¬
пользуют автоматические мосты и ком¬
пенсаторы Принцип построения автома¬
тического кондуктометра поясняется схе¬
мой, представленной на рис 6 7, а Изме¬
рительная ячейка 7, в которую из блока
подготовки поступает контролируемая
жидкость, является одним из плеч уравно-
516Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯРис. 6.7. Схемы подключения
электролитических измерительных ячеек:а - мостовая схема включения; б - схема вклю¬
чения с температурной компенсацией за счет
сравнительной электролитической ячейки;
в - схема включения с температурной компен¬
сацией за счет компенсационных терморези¬
сторов (7 - измерительная ячейка; 2 - блок
уравновешивания моста; 3 - сравнительная
электролитическая ячейка или компенсацион¬
ный терморезистор; 4 - вольтметр)вешенного моста, состоящего из сопро¬
тивлений R\, R2, R{), переменного сопро¬
тивления Rp и переменной емкости С0,
служащей для компенсации реактивной
составляющей измерительной ячейки.
Блок 2 служит для уравновешивания мос¬
та путем изменения Rp.Одной из проблем, ограничивают*,
точность определения концентрации кон*
дуктометрическим методом, является за
висимость проводимости раствора о
температуры, что необходимо учитывать
при реализации данного метода НК
Особенностью растворов является то, что
в отличие от проводников, для которых с
ростом температуры электропроводность
снижается, у растворов она возрастает
причем по нелинейному закону:y = Yo[l + a©(@-©o)+P©(0-0o)2 ] .Поэтому представленная на рис. 6.7
а схема кондуктометра может использо¬
ваться только в случае неизменной темпе¬
ратуры жидкости.В случае, когда температура ОК мо¬
жет изменяться, используют кондуктомет¬
ры с температурной компенсацией, реали¬
зуемой различным образом. На рис. 6.7, б
для компенсации влияния температуры
используется сравнительная электролити¬
ческая ячейка 3 с сопротивлением RK0U.
Эта ячейка размещается в камере 1 и, сле¬
довательно, имеет одинаковую с ней тем¬
пературу. Сравнительная ячейка 3 запол¬
няется жидкостью, имеющей такой же
закон изменения электропроводности от
температуры, как и контролируемая жид¬
кость. Измерительная и сравнительная
ячейки включаются в смежные плечи мос¬
та, что приводит к компенсации влияния
температуры ОК на результаты измерения
проводимости. При этом точность ком¬
пенсации определяется идентичностью
функций влияния температуры на прово¬
димость жидкостей в указанных ячейках.Другим подходом к температурной
компенсации является использование
компенсационных проводниковых термо¬
резисторов (рис. 6.7, в). Терморезистор 3 в
чехле с сопротивлением R0 размещается в
контролируемой жидкости и подключает¬
ся последовательно с сопротивлением
электролитической ячейки R. Эффект
влияния температуры на сопротивление
проводников и сопротивление растворов
* КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 517,1 противоположен, поэтому при соответст¬
вий подборе терморезистора и сопро-
^дения шунта Яш можно добиться вза¬
пой компенсации влияния температуры( RR
„а общее сопротивление RQ + —V R + Ril,
верительном плече моста. В приведен¬
ий схеме величина разбаланса моста, не¬
сущая информацию о концентрации, оп¬
ределяется вольтметром 4, а резистор Rp
служит для настройки начального уровня
угнала.Еще одним фактором, влияющим на
точность кондуктометрического метода,
'пишется чистота поверхности электродов.
Загрязнение электродов приводит к уве¬
личению переходного сопротивления• электрод - жидкость и, как следствие, к
получению погрешностей измерения. Это
проблема решается путем проведения пе¬
риодических (иногда после каждого изме¬
нения) промывок и очисток датчика спе¬
циальными растворителями.I Так, например, электроды с гладкой
Поверхностью очищаются кратковремен¬
ным погружением в сернохромовую ки-
! слоту (концентрированная серная кислота,
j насыщенная бихроматом калия); угольные
(электроды регенерируются промывкой в
' дистиллированной воде; высадившиеся
! карбонаты растворяют погружением элек-
;; тродов в разбавленную соляную кислоту с
последующим тщательным прополаскива-
1 нием в дистиллированной воде.Кондуктометрические методы кон¬
троля уровня и анализа жидкостей и газов
широко используются в качестве методов
промышленного НК и методов научных
исследований. В качестве примеров об¬
ластей наиболее эффективного использо¬
вания данных методов НК можно выде¬
лить следующие: контроль уровня рас¬
твора в парогенераторах; контроль чисто¬
ты пара и питающей воды на тепловых
электростанциях; контроль содержания
минеральных веществ, растворенных в
сахарном соке, при производстве сахара;
контроль качества питьевой воды; кон¬
троль воды для красильных растворов приобработке шерсти и хлопка в текстильной
промышленности; контроль сбросных вод
в химической промышленности и т.п.6.2.2. Методы и средства контроля
содержания влаги в твердых, жидких и
газообразных материалахСодержание влаги в материале ОК во
многом определяет его эксплуатационные
показатели и обычно характеризуется
влажностью или влагосодержанием. Под
влажностью понимают отношение коли¬
чества влаги в материале ко всему количе¬
ству материала (сухому веществу вместе с
влагой), а под влагосодержанием - отно¬
шение количества влаги в материале к
количеству абсолютно сухого вещества.
При этом количество может выражаться
как в весовых, так и в объемных величи¬
нах.Физическая сущность метода за¬
ключается в следующем. Большинство
неметаллических материалов, в которых
необходимо определять содержание влаги
(кожа, почва, древесина, пиломатериалы,
каменный уголь, бумага, хлопок, лен,
шерсть, ткань и т.п.), в сухом состоянии
являются хорошими диэлектриками с
удельным электрическим сопротивлением
р е[108; 1013] Омм и выше. При попада¬
нии влаги в эти материалы значение р для
них существенно падает: р е [10-5; 10“3]
Омм.Это явление и заложено в основу
кондуктометрического метода, сущность
которого заключается в количественном
определении влаги в материале путем из¬
мерения активного сопротивления (или
электрической проводимости) ОК, поме¬
щенного в датчик прибора (при контроле
влажности газообразных материалов из¬
меряется электрическое сопротивление не
самого ОК, а поглотителя влаги после его
взаимодействия с контролируемой сре¬
дой).В основу метода заложены известные
зависимости, связывающие содержание
влаги в материале WB с его удельным элек-
518Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯсопротивления ОК от содержания влаги:1 - нелинейная с ограниченным диапазоном;2 - наиболее распространенная; 3 - приоритет¬
ная (линейная в широком диапазоне);4 - неприемлемая (зависимость с низкой
чувствительностью)трическим сопротивлением р (удельной
электрической проводимостью у) р =
= p(WB). Тогда:R = kBp = kB/y = R(WB\где кв - коэффициент пропорционально¬
сти, учитывающий форму, размеры, вза¬
имное расположение электродов и яв¬
ляющийся постоянной величиной для вы¬
бранной конструкции датчика.Механизм повышения проводимости
ОК при его увлажнении может быть раз¬
личным и зависит от структуры и порис¬
тости материала. Дистиллированная вода
является хорошим диэлектриком со значе¬
нием удельного электрического сопротив¬
ления порядка 2,2 • 105 Омм, при этом она
оказывает сильно диссоциирующее дейст¬
вие на многие электролиты, содержащиеся
в контролируемом материале, что приво¬
дит к увеличению подвижности ионов. В
некоторых материалах получаемые рас¬
творы электролитов образуют проводящие
капиллярные мостики или сплошные про¬
водящие пленки между измерительными
электродами, существенно повышающие
электропроводность ОК. В других случаях
влага распределяется в контролируемом
материале в виде изолированных друг от
друга отдельных вкраплений, что приво¬
дит к менее значительному ее влиянию на
проводимость ОК.В этой связи чувствительность и со
ответственно, эффективность конду^
метрического метода измерения содерж!~
ния влаги в ОК для различных материалов
различны и определяются видом зависи
мости р = р(WB). На рис. 6.8 схематично
представлены примеры возможных видов
зависимостей в логарифмическом мас¬
штабе. Для большинства материалов вы¬
ражение lg(p) = p(WB) характеризуетсякривой 2. На начальном участке эту зави¬
симость можно представить линейной
функцией, характеризуемой постоянной и
достаточно высокой чувствительностью
При дальнейшем повышении влажности
наступает некоторое насыщение, характе¬
ризуемое повышением нелинейности ха¬
рактеристики и снижением чувствитель¬
ности метода. В данном случае проводи¬
мость материала ОК определяется не
столько содержанием влаги, сколько его
собственными электрохимическими свой¬
ствами. В этой связи диапазон измерения
влажности обычно ограничивают линей¬
ным участком.Для большинства твердых материа¬
лов верхний предел измерения кондукто-
метрическим методом близок к макси¬
мальной гигроскопической влажности
материала и находится в пределах от 18 ...
20 до 24 ... 26 % влажности. Нижний пре¬
дел измерения определяется, в основном,
метрологическими характеристиками ис¬
пользуемых средств контроля. Проблема
заключается в необходимости с высокой
степенью точности измерять большие со¬
противления (при влажности 6 ... 9 % зна¬
чение удельного электрического сопро¬
тивления может составлять 109 ... Ю
Омм).Особенности технической реализа¬
ции кондуктометрических методов изме¬
рения содержания влаги в ОК обусловле¬
ны необходимостью учета и компенсаций
влияния ряда факторов, к числу которых
относятся:- поляризация электродов из-за элек¬
тролитического разложения влажного ма¬
териала ОК при прохождении через него
тока;
КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 519- зависимость сопротивления мате-
i „лала от его температуры;- особенности строения и структурыматериала;- зависимость сопротивления от зна¬
ния подводимого напряжения (нелиней¬
ность вольт-амперной характеристики)некоторых материалов;- влияние конструкции электродов и
i значения усилия в их контакте с ОК нарезультат измерения (например, для сы¬
пучих материалов результат измерения
сопротивления зависит от степени их уп-
i лотнения, а для упругих листовых ОК - от
усилия прижима электродов);- наличие наряду с оцениваемой при
: контроле объемной проводимостью до¬
полнительной поверхностной проводимо¬
сти влажного материала, трудно поддаю¬
щейся учету.Ряд из указанных проблем, в частно¬
сти поляризация электродов, влияние тем¬
пературы на проводимость жидкостей и
; др., являются общими проблемами реали¬
зации кондуктометрических методов при
i измерении электропроводности жидких
сред независимо от задачи НК. Пути ре¬
шения этих общих проблем уже рассмот-
; рены в п. 6.2.1. Здесь же остановимся под¬
робнее на проблемах, специфических для
измерения влажности, причем, в основ¬
ном, влажности твердых материалов.На результат кон ду кто метрического
i определения влажности существенное
влияние оказывают строение материала■ ОК и его химический состав. Древесина,
| все волокнистые и некоторые другие ма-
\ териалы имеют ярко выраженную про-
; странственную анизотропию структуры,
1 следствием чего является анизотропия
: электрофизических свойств, в частности
■■ Удельного электрического сопротивления.
; Это означает, что результат измерения
J электрического сопротивления ОК при
I контроле во многом будет определяться не
| только влагосодержанием, но и ориента-
; Цией ОК относительно электродов при
j измерении R. Так, например, проводи-
; мость древесины по трем пространствен¬ным осям различна, она имеет максималь¬
ное значение вдоль радиусов ствола (пер¬
пендикулярно к годичным слоям), а ми¬
нимальное - поперек ствола; у волокни¬
стых материалов растительного происхо¬
ждения удельное сопротивление вдоль
волокон меньше, чем поперек; проводи¬
мость каменного угля вдоль слоев много
больше проводимости поперек слоев.Такая неоднородность проводимости
по различным направлениям характерна
для подавляющего большинства материа¬
лов, обладающих "направленностью"
структуры. Она может привести к сущест¬
венному искажению результатов измере¬
ния влажности и должна непременно учи¬
тываться при проведении НК.В силу технологических причин при
получении материалов (литье, формова¬
ние, произрастание и т.п.) их химический
состав, как правило, несколько различает¬
ся. Даже незначительные включения неко¬
торых примесей или отклонения в хими¬
ческом составе материала, практически не
влияющие на эксплуатационные характе¬
ристики ОК, могут существенно повлиять
на его электрическую проводимость и
привести к большим погрешностям изме¬
рения влажности. Это обстоятельство
также необходимо принимать во внимание
при организации НК кондуктометриче-
ским методом.Другие факторы, влияющие на ре¬
зультат измерения информативного пара¬
метра, учитываются при создании измери¬
тельной аппаратуры, разработке и выборе
конструкции датчиков, в частности элек¬
тродов, с учетом особенностей конструк¬
ции и материалов ОК в каждом конкрет¬
ном случае.При контроле твердых монолитных
ОК, в которые трудно ввести электроды,
или тонких листовых изделий, например
кожи, используют датчики, содержащие
накладные электроды для обеспечения
электрического контакта с поверхностью
ОК. Основное требование к реализации
контроля в данном случае заключается в
обеспечении достаточно плотного приле¬
520Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯгания электродов к поверхности ОК. В
ряде кондуктометрических влагомеров
электроды выполняются в виде густых
проволочных щеток или электропроводя¬
щей резины. При использовании наклад¬
ных (прилегающих) электродов необхо¬
димо обеспечить заданное усилие в кон¬
такте, значение которого должно созда¬
вать, с одной стороны, плотное (без воз¬
душных прослоек) прилегание электрода к
поверхности ОК, а с другой стороны -
стабильность переходного контактного
сопротивления.В большинстве контактных кондук¬
тометрических влагомеров используют
заостренные стальные электроды, вводи¬
мые в толщу материала ОК. Датчики та¬
ких устройств включают по два, три или
четыре игольчатых электрода. Они при¬
меняются для контроля влагосодержания
жестких кож, древесины и других мате¬
риалов.Для пленочных и тонколистовых ма¬
териалов возможно применение датчиков
с двухсторонним расположением электро¬
дов.В промышленных кондуктометриче¬
ских влагомерах при контроле движущих¬
ся объектов (пленочные материалы, бума¬
га, ткань, пиломатериалы) в качестве элек¬
тродов используют вращающиеся ролики.Специфика свойств сыпучих мате¬
риалов (порошкообразных, зерновых, кус¬
ковых и т.п.) обусловливает необходи¬
мость использования различных по конст¬
руктивному исполнению датчиков. Про¬
блема заключается в существенности
влияния на результат измерения R разме¬
ров кусков и плотности укладки сыпучего
материала в межэлектродном пространст¬
ве. Поэтому при разработке конструкции
датчиков большое внимание уделяется
обеспечению стабильности указанных
факторов и, соответственно, воспроизво¬
димости результатов измерений.Для сыпучих материалов используют
датчики с произвольной загрузкой мате¬
риала, с самоуплотнением и с принуди¬
тельным уплотнением материала в меж¬электродном пространстве. Уплотнение
выполняется для обеспечения надежного
контакта частиц контролируемого мате
риала между собой и с электродами; сни
жения влияния на результаты измерения
размеров частиц и состояние их поверхно¬
стей. Для каждого материала подбирается
оптимальная степень уплотнения и созда¬
ются условия стабильного обеспечения
этой степени уплотнения от измерения к
измерению.Для мягких волокнистых материалов
(хлопок, шерсть, шелк, вата, льняное по¬
лотно и т.п.) применяются датчики с при¬
нудительным уплотнением. При этом сле¬
дует отметить, что кондуктометрический
метод измерения влагосодержания для
указанных материалов применяется срав¬
нительно редко.Датчики для измерения влажности
жидкостей (кондуктометрические ячейки)
по конструкции существенно проще, чем
датчики для измерения влагосодержания у
твердых материалов. Кондуктометриче¬
ские ячейки влагомеров аналогичны рас¬
смотренным ранее электролитическим
ячейкам (см. п. 6.2.1). Это обусловлено
тем, что для жидкостей гораздо проще
решается проблема обеспечения полного
(без пустот) заполнения контролируемым
материалом межэлектродного пространст¬
ва. Датчики выполняются в двух конст¬
руктивных исполнениях: проточные и
погружные. Датчики первого типа вреза¬
ются непосредственно в трубопровод, по
которому транспортируется контролируе¬
мый материал, что обеспечивает возмож¬
ность беспрепятственной реализации не¬
прерывного НК. Датчики второго типа
погружаются в технологические емкости с
контролируемым материалом или в ото¬
бранную пробу. Существуют также лабо¬
раторные датчики, предназначенные для
контроля влажности разовых проб мате¬
риала.В качестве основной проблемы ис¬
пользования датчиков при контроле влаж¬
ности жидких материалов рассматривает¬
ся проблема очистки внутренней полости
КОНТРОЛЬ ТОЛЩИНЫ СМАЗОЧНЫХ ПЛЕНОК521датчика и поверхностей электродов от
остатков проб контролируемых вязких
едкостей. Проблема решается аналогич-
jjo очистке электродов электролитических
ячеек.Области эффективного использо-
0ния кондуктометрического метода кон¬
троля влажности, нашедшие промышлен-
йое применение, - это контроль влажно¬
сти жестких подошвенных кож, макарон¬
ах изделий, бикарбоната натрия, нитей
основы ЭРВО-11М, почвы в полевых ус¬
ловиях, пиломатериалов, древесины раз¬
личных пород и т.д.6.3. КОНТРОЛЬ толщины
СМАЗОЧНЫХ ПЛЕНОКПри проведении НК и трибологиче¬
ски х исследований возникает необходи¬
мость в определении абсолютного значе¬
ния толщины смазочной пленки в зоне
контакта. Решение этой задачи может
осуществляться различными методами,
среди которых одними из наиболее ин¬
формативных, универсальных и простых
являются методы электрического сопро¬
тивления.Физическая сущность данной груп¬
пы методов НК заключается в использо¬
вании известного факта, что сравнительно
толстые слои многих смазочных материа¬
лов имеют зависимость сопротивления R
от толщины пленки /?, близкую к линей¬
ной (например, для авиационных масел
линейность характеристики сохраняется
при толщине пленки в диапазоне: h е [2,5;
30] мкм).Непосредственное измерение со¬
противления смазочной пленки при
оценке ее толщины производится путем
подключения контактирующих деталей в
электрическую цепь последовательно с
источником электрического напряжения
t/о и нагрузочным резистором RHагр. При
этом об измеряемом параметре R судят по
падению напряжения на резисторе Umiv
или по величине тока в цепи /:R = Rtнагриу ^нагрИЛИ R ^ ^нагр •Сложность получения достоверной
информации о значении толщины смазоч¬
ной пленки описанным методом обуслов¬
лена высоким удельным электрическим
сопротивлением большинства смазочных
материалов, что приводит к необходимо¬
сти решения задачи измерения очень ма¬
лых значений токов или напряжений.
Кроме того, смазочные материалы обла¬
дают неоднозначными электрическими
свойствами, зависящими от многих фак¬
торов. На электропроводность пленки
смазочного материала влияет не только ее
толщина, но и химический состав мате¬
риала, наличие в нем каких-либо включе¬
ний или присадок, влажность, электриче¬
ские и магнитные поля, действующие на
пару трения. Существенное влияние на
электротехнические свойства масла ока¬
зывают также давление в контакте, время,
в течение которого проводится экспери¬
мент, и даже степень освещенности. При
этом свойства смазочного материала во
многом определяются толщиной пленки, в
зависимости от которой в материале на¬
блюдается различный физический меха¬
низм проводимости (более подробно рас¬
смотрено в п. 6.4.1).Изложенное выше ограничивает точ¬
ность непосредственного определения
абсолютного значения толщины смазоч¬
ной пленки описанным методом электри¬
ческого сопротивления. Наиболее эффек¬
тивными являются относительные изме¬
рения, когда определяется относительное
изменение толщины пленки. В этом слу¬
чае влияние указанных выше факторов на
результат измерения существенно снижа¬
ется.Для улучшения метрологических по¬
казателей базового метода в смазочный
материал добавляют специфические при¬
садки или производят "обводнение" масел.
Так, например, добавление в масло 4 %
сульфоната натрия позволяет в несколько
раз снизить удельное сопротивление слоя
522Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯРис. 6.9. Схема установки для
измерения толщины масляной пленки
методом электрического сопротивления:1 - контактирующие детали ОК; 2 - вольтметр;
3 - амперметр; 4 - реостат; 5 - источник
электрического напряженияи "заставить" его удовлетворительно под¬
чиняться закону Ома. Следует отметить,
однако, что такой подход приводит к не¬
которому изменению реологических
свойств смазочного материала и отклоне¬
нию условий испытаний или исследова¬
ний от реальных.Метод электрического разряда яв¬
ляется разновидностью рассмотренного
выше метода измерения толщины смазоч¬
ного слоя. Метод обладает более высокой
точностью и стабильностью при достаточ¬
ной чувствительности, лишен указанных
выше недостатков и эффективно исполь¬
зуется при измерении толщины сравни¬
тельно тонких смазочных слоев, включая
граничные пленки./Рис. 6.10. Вольт-амперные характеристики
масла АК-10 при толщине масляной
пленки h:1-0 мкм; 2-1,4 мкм; 5-1,7 мкм;4 - 2,0 мкм; 5 - 2,2 мкмСущность метода заключается в из
мерении падения электрического напря~
жения U0K на смазочном слое при извест
ном значении силы тока /0. При этом осу¬
ществляется сравнение вольт-амперньц
характеристик, снимаемых с ОК при от¬
сутствии смазочной пленки в зоне контак¬
та и при ее наличии. На рис. 6.9 представ¬
лена электрическая схема эксперимен¬
тальной установки, а на рис. 6.10 - приме¬
ры полученных характеристик при отсут¬
ствии (кривая 7) и при наличии заполнен¬
ного смазочным материалом зазора раз¬
личной величины между контактирующи¬
ми поверхностями (кривые 2 - 5).Анализ показывает, что кривая 1
практически линейная с наклоном, зави¬
сящим, очевидно, от сопротивлений дета¬
лей и проводников. В случае, когда детали
разделены тонким (до 6 ... 10 мкм) слоем
смазочного материала, вольт-амперная
характеристика изменяет свою форму
(кривые 2 - 5). При этом имеет место на¬
чальный криволинейный участок (а - б) и
прямолинейный участок (б - в), который
практически параллелен кривой 7 и со¬
храняет свою прямолинейность в широ¬
ком диапазоне токов (на рис. 6.10 до 2 А).
Таким образом, при любой силе тока,
большей некоторого значения тока насы¬
щения (на рисунке это 0,4 А) разность на¬
пряжений UC=U2- U\ (падение напряже¬
ния на сопротивлении смазочной пленки
Uc = Rio) остается величиной постоянной,
зависящей, в основном, только от толщи¬
ны пленки h.Экспериментально доказано, что ука¬
занные закономерности сохраняются и
при более высоких значениях тока (до
30 А) в широком диапазоне изменения
толщины смазочной пленки (до десятков
мкм). При этом результат измерения тол¬
щины пленки практически не зависит от
площади контакта (изменялась до 75 %)>
материалов контактирующих деталей
(применялись различные марки стали,
чугуна, комбинации этих материалов),
примесей в смазочном материале, давле¬
ния. Результат мало зависит также и от
КОНТРОЛЬ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ И ТРИБОДИАГНОСТИКА523^дературы (влияние изменения темпе¬
ры на 100 К на зависимость UQ=f (h)
^превысило 5 %), содержания влаги (до
Л05 % оказывает некоторое влияние,
Дальнейшее увеличение содержания до
;*j0 % практически не влияет). При этом
Исследовался как линейный контакт, так и
Очечный.з Метод измерения толщины гра¬
ничных смазочных пленок базируется на
;рассмотренном выше принципе,
j Толщина граничного смазочного слоя,
!формирующегося на поверхностях трения,
Является одним из наиболее информатив¬
ных показателей, характеризующих сма¬
зочную способность масел и активность
^материалов. В связи со сложностью струк-
t туры и с нестабильностью во времени об¬
разующихся на поверхностях трения ад¬
сорбционных слоев и твердообразных са-
могенерирующихся органических пленок
; вопрос исследования законов формирова¬
ния, изнашивания и регенерации этих сло¬
ев является весьма актуальным. Для про¬
ведения таких исследований необходимо
| измерять толщину граничных слоев в
} процессе работы ОК, что весьма непросто,
j поскольку ранее рассмотренные методы
определяют суммарную толщину смазоч¬
ного слоя, включающего наряду с гранич¬
ными пленками также и толстые гидро¬
динамические пленки,
j Метод измерения толщины гранич-
j ных смазочных пленок заключается в том,
I что исследуемую поверхность вначале
j механически или химически очищают от
; сформировавшихся на ней граничных сло-
> ев, а затем в процессе работы ОК наблю¬
дают за изменением суммарной толщины
\ пленки по величине Uc в течение латент-
ного периода восстановления граничных
. пленок при трении. При этом о толщине
граничных слоев судят по величине
Ur = Uc - С/о, где U0 - падение напряжения
; на пленке в начальный момент экспери-
] мента (падение напряжения на гидроди-
! намической пленке).6.4. КОНТРОЛЬ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ
И ТРИБОДИАГНОСТИКА6.4.1. Общие сведения и физические
основыОдним из наиболее проработанных и
широко используемых направлений при¬
менения методов электрического сопро¬
тивления является решение с их помощью
комплекса задач неразрушающего контро¬
ля, технического диагностирования и про¬
гнозирования состояния узлов машин и
механизмов (подшипников качения,
скольжения, зубчатых зацеплений и т.п.),
а также задач трибомониторинга в процес¬
се проведения трибологических исследо¬
ваний. Методы решения указанных задач
основываются на определении искомых
характеристик ОК путем оценки парамет¬
ров случайно изменяющегося во времени
(флуктуирующего) при его работе актив¬
ного электрического сопротивления (или
проводимости) и называются также элек-
трорезистивными.При реализации электрорезистивных
методов состояние ОК оценивается при
его работе в эксплуатационных (или ими¬
тирующих эксплуатационные) режимах и
условиях. При этом специальные первич¬
ные преобразователи не применяются -
сигнал измерительной информации сни¬
мается непосредственно с трущихся дета¬
лей или деталей, гальванически связанных
с ними, а определение необходимых ха¬
рактеристик ОК осуществляется с помо¬
щью соответствующих алгоритмов обра¬
ботки информации, В этой связи электро-
резистивные методы НК по сравнению с
ранее рассмотренными методами электри¬
ческого сопротивления являются наиболее
сложными как в теоретическом плане, так
и в плане практической реализации.Методы обеспечивают комплексный
контроль состояния объекта, контроль
макрогеометрии и поиск дефектов его ра¬
бочих поверхностей, оценку толщины и
фактического состояния разделяющей
поверхности смазочной пленки, количест¬
венную оценку режима смазки в зонах
524Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯтрения и т.п. С их помощью эффективно
решаются задачи входного контроля и
контроля качества сборки узлов на этапе
изготовления машин и механизмов, функ¬
циональной диагностики в процессе экс¬
плуатации изделий, оценки степени изно¬
са и возможности эксплуатации ОК в те¬
чение следующей межконтрольной нара¬
ботки (дефектация) при техническом об¬
служивании и ремонте, функциональной
диагностики ОК при проведении испыта¬
ний и трибологических исследований.При работе смазанного ОК вследст¬
вие гидродинамического эффекта в зонах
трения его деталей самопроизвольно обра¬
зуется устойчивый слой (пленка) смазоч¬
ного материала, препятствующий непо¬
средственному контактированию поверх¬
ностей. Толщина пленки непрерывно из¬
меняется - флуктуирует, возможны ее
кратковременные местные разрушения в
контактах наиболее высоких неровностей
поверхностей (микроконтакты), что сви¬
детельствует о переходе от жидкостной
смазки к полужидкостной или граничной.Состояние смазочного материала в
зонах трения формируется совместным
действием большого числа факторов и
параметров (микро- и макрогеометрия
рабочих поверхностей, нагрузка в контак¬
те и скорость относительного перемеще¬
ния поверхностей, свойства конструкци¬
онных и смазочных материалов, темпера-
тура, работоспособность системы смазки и
т.п.) и является комплексным критерием,
количественная оценка которого обеспе¬
чивает получение необходимой информа¬
ции как для НК, так и для прогнозирова¬
ния технического состояния узлов трения.Смазочный материал обладает высо¬
ким удельным электрическим сопротив¬
лением, поэтому изменения состояния
смазки в зонах трения (флуктуации тол¬
щины пленки, ее разрушения, изменения
характера контактирования поверхностей
и т.п.) приводят к соответствующим изме¬
нениям электрической проводимости (g) и
сопротивления (.R) ОК.Сопротивление трибосопряжениявключает ряд составляющих:R — Rk* + Rn+ Rст + Rcn 9где RM, Ron, -^ст? -^сп соответственно, со¬
противления контактируемых деталей
окисных пленок, стягивания и смазочных
пленок.Значение RM определяется удельным
сопротивлением материалов деталей, и по
сравнению с другими составляющими R
для металлов пренебрежимо мало (для
сталей ре[10'7; 10'6] Ом-м). Окислыталлов - полупроводники с р0ме-[102;10 ] Ом-м, однако ввиду большой порис¬
тости окисных пленок поверхностей тре¬
ния Ron обычно имеет невысокие значения.
Сопротивление стягивания Ясх зависит от
радиуса ак контурной площади контакта, а
также размеров г и числа пи действитель¬
ных пятен контактов поверхностей:D _ ( 1 1 1RCT — р 1 .[2п„г 2 ак)Сопротивление смазочных пленок Rcn
также включает несколько составляющих:
тонкие поверхностные пленки (3 ... 10 нм)
имеют туннельную проводимость српов е [10 °; 10-"](W:п _ гпов
^сп 2 9кппгтонкие граничные слои (0,1 ... 1 мкм) об¬
ладают полупроводниковыми свойствами,
а смазочный материал в толстых слоях
является диэлектриком (рсм е [105; 10 ]
Ом-м). При этом значение сопротивления
пленки связано с ее толщиной монотонной
и практически линейной зависимостью,
что широко используется в трибометрии
(см. п. 6.3).В зависимости от вида смазки раз¬
личные составляющие оказывают большее
или меньшее влияние на значение сопро¬
тивления ОК, комплексно характеризую¬
щее его состояние:
КОНТРОЛЬ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ И ТРИБОДИАГНОСТИКА525i{ Рис. 6.11. Вид зависимости g(t)* для трибосопряжения■ij - в условиях жидкостной смазки R
'определяется в основном параметрами
’гидродинамической смазочной пленки
(Л « Ren) изменяясь из-за флуктуаций ее
;гслшины и свойств смазочного материала
?при работе ОК, остается достаточно
'большим (при толщине пленки h = 1 мкм
lie [Ю7; 10й] Ом);j - в условиях граничной смазки R оп¬
ределяется в основном сопротивлением
{стягивания (R « RCT) и, изменяясь в зави¬
симости от параметров действительных
|пятен контактов поверхностей, сущест¬
венно снижается (при микроконтактиро-
ЦванииТ? е [ 10'3; 102] Ом);] - при полужидкостной смазке (наи¬
более распространенный режим) R опре¬
деляется комплексом различных парамет-Рис. 6.12. Примеры импульсов
проводимости при микроконтактирова¬
нии в подшипнике каченияРис. 6.13. Плотность распределения
вероятности проводимости трибосопряже¬
ния при жидкостной (#), граничной (б) и
полужидкостной (в) смазкеров фрикционного взаимодействия и из¬
меняется в широких пределах. На
рис. 6.11 представлен схематично вид
функции g(t), на рис. 6.12 даны примеры
импульсов проводимости при микрокон¬
тактировании.Вследствие случайности происходя¬
щих в зонах трения процессов флуктуации
проводимости ОК при его работе являют¬
ся случайными, при этом характер закона
распределения вероятности проводимости
для различных видов смазки соответству¬
ет графикам на рис. 6.13, где ga и gK - ха¬
рактерные средние значения проводимо¬
сти при наличии смазочной пленки в зоне
трения и при микроконтактировании.6.4.2. Контролируемые параметры и
моделиВ зависимости от решаемых задач
контроля и конструктивных особенностей
ОК используются различные контроли¬
руемые параметры и модели.Наибольшую информацию о техни¬
ческом состоянии ОК позволяет получить
оценка закона распределения вероятности
его проводимости или сопротивления.
Опыт использования такой оценки извес¬
тен в трибометрии при определении на¬
грузки в контакте и интенсивности изна¬
шивания, исследовании явления пленочно¬
526Глава 6 МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯго голодания Оценка закона, однако,
представляет существенную проблему и
предполагает применение сложной кон¬
тролирующей аппаратуры, что приемле¬
мо лишь в лабораторных условиях при
проведении трибологических исследова¬
ний В практике неразрушающего контро¬
ля обычно ограничиваются анализом со¬
вокупности контролируемых параметров -
точечных оценок закона распределения
вероятности информативного параметра
Одним из наиболее распространен¬
ных контролируемых параметров является
среднее сопротивление, которое опреде¬
ляют либо непосредственно как Яср, либо
как величину, обратную средней прово¬
димости Я'р = 1/Gcp В первом случае ОКподключают к источнику тока /0 и изме¬
ряют среднее значение падения напряже¬
ния Ucр на нем за некоторое время Ги, а во
втором - к источнику напряжения Uq и
измеряют среднее значение тока /ср1 и 1 и*cp=^- = ]l,R{t)dt =и о 0 и ОТ1 1= -— \v{t)dt = UcvIIQ,*;=i/Gcp = i/= uj= ип/1верхностных пленок Широкое примене
ние этих параметров обусловлено также
простотой их измерения (достаточно ис¬
пользовать вольтметр или амперметр с
магнитоэлектрической системой)На основе совместного рассмотрения
теорий фрикционного изнашивания, кон¬
тактирования шероховатых поверхностей
и электрического контакта синтезирован
универсальный контролируемый параметр
G"p, функционально связанный с интен¬
сивностью фрикционного изнашивания:Gcp = —ер j71 иjV“G (t)dtПо существу Rcp и Gcp являются
оценками математического ожидания за¬
конов распределения вероятности сопро¬
тивления и проводимости ОК, поэтому
параметры Rcp и Я'р однозначно и ком¬
плексно характеризуют его состояние В
случае жидкостной смазки (Gcp = gn) они
характеризуют усредненное значение
толщины пленки в зонах трения, при гра¬
ничной (Gcp = gK) - несут информацию о
размерах пятен контактов и толщине по¬где aG - числовой коэффициент, опреде¬
ляемый типом ОК, свойствами материалов
деталей, параметрами микрогеометрии
рабочих поверхностей, видом смазки.Так, например, для упругого контакта
неровностей поверхностей стальных дета¬
лей при режиме смазки, близком к гра¬
ничному (нагрузку воспринимают в ос¬
новном микронеровности, а сближение
поверхностей определяется нагрузкой в
контакте), рекомендуется aG е [0,9; 1,1]
для точечного контакта и aG е [1,3; 1,7]
для линейного контакта, при полужидко-
стном режиме смазки с редкими микро¬
контактами (нагрузку воспринимает в ос¬
новном смазочный слой, сближение опре¬
деляется толщиной гидродинамической
пленки) рекомендуется aG е [2,9, 3,6]. Вслучае пластического контакта микроне¬
ровностей поверхностей при граничном
трении для точечного контакта aG = 0,8,
для линейного aG = 1,2, а при полужид-
костном режиме смазки с редкими микро¬
контактами - aG = 2,6 Таким образом,
широко применяемый контролируемый
параметр Gcp является частным случаем
параметра G"p при aG = 1Характерно, что всегда выполняется
условие (R'cp/Rcp) ^ 1, при этом знакравенства соответствует g{t) = const, что
КОНТРОЛЬ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ И ТРИБОДИАГНОСТИКА527\ применительно к жидкостной смазке оз-
! качает отсутствие колебаний толщины
доенки в зонах трения (идеализированная
j сйтуация) Это свойство параметров зало-
: ^ено в основу метода контроля степени
; флуктуаций толщины пленки в зоне тре-
i 0йя по параметру кп = R'cp/Rtp, а также^ метода прогнозирования состояния под-
j щипников качения в условиях жидкостной
I смазки по параметру рд = (Д'р/Яср)3 Из-■ меняясь от 1 при отсутствии колебаний
i толщины пленки до 0 при полужидкост-ной смазке, рд характеризует относитель-
; ное снижение долговечности подшипника
; по сравнению с его долговечностью при
j той же средней толщине пленки и отсут-• ствии ее колебанийДля решения ряда трибометрических
; задач при работе ОК в условиях полужид-
; костной смазки (оценка средней толщины
i смазочной пленки в зонах трения, степени
< ее флуктуаций, размеров действительных
площадок контактов при микроконтакти-■ ровании и т п) в качестве контролируе-
: мых параметров применяются оценки
j среднего сопротивления смазочной плен-
j ки Rn и среднего контактного сопротивле-
I ния OK RK, которые определяют с учетом
1 принятых на рис 6 11 обозначений из вы-
; ражений: пл! ТИ-^К,-1Ю)} D = J_ = j г п] X \zWdt! 0 гi5* ^ (*к/ ” )
i 7? I где пт - число импульсов проводимости в| ОК, соответствующих R(t) < Rnop за время| Ги, /н(к)г - время начала (конца) i-ro им-| пульса проводимости, Rnop - пороговое5 значение сопротивления (задается Rnop е[50, 100] Ом, что несколько превышает
сопротивление ОК при микроконтактиро¬
вании и соответствует gnop^ gnopi на
рис 613)Для контроля узлов трения, количе¬
ственной оценки состояния смазки в зонах
трения, дефектоскопии рабочих поверхно¬
стей широко применяются электрокон-
тактные методы, основанные на анализе
параметров импульсов проводимости ОК
при микроконтактировании В качестве
контролируемых параметров используют
предельные и средние значения частоты и
длительности микроконтактирований за
определенное время или число оборотов
подвижной детали Наиболее универсаль¬
ным и информативным параметром этой
группы является нормированное инте¬
гральное время (НИВ) электрического
контактирования (К) Значение этого па¬
раметра определяется отношением сум¬
марной длительности импульсов прово¬
димости ОК, соответствующих микрокон¬
тактированию, к значению времени
измерения Ги«IК = £(/в-/ш)/7,и1Изменяясь от 0 при жидкостной
смазке до 1 при граничной смазке, пара¬
метр К является статистической оценкой
вероятности микроконтактирования в ОК
(Лс)Электроконтактные методы традици¬
онно используются в трибомониторинге
для выявления и анализа металлического
контактирования деталей трибосопряже-
ний, количественной оценки полужидко-
стной смазки и др, при этом наибольшее
развитие эти методы получили в направ¬
лении НК и диагностирования подшипни¬
ков и опор каченияОбобщенная диагностическая модель
микроконтактирования в подшипнике
имеет видк * =1-П
1
528Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯРф» =1-(1-Лн(в)/)”Ш",В" ; Р\н(в)/ = 0,5 - Ф^н(в)1. /^Rqf+Rq н2(в) ] = 0,5 - ф(лед,);ИЛИ1н(в)/К2н(в)/ ^шн(в)Я max/' /?maxH(B)VH(B)+Фн(в) “Ан(в)/) ViUh(b)/ЯИвн(в)|И4н(в)1з F,2 1-Л„(в)У н(в)2/3-ЛV/дк0(х) 6ц„(Уа + ^)[йр -/?(х)]ехр[»/:0(х)]
дх /г3(х) ;й(х) = /гт] -8 + х2(А,а + Хь)/2 + А'к0(х)/Е' +D(x)D(x) = Dmax / д/(отдх -х')5 +1 или D(x) = Z)max /^£^Tns (тдх-х'У +1 ;^н(в)(ф) “ ^н(в)0 + 2^ &■(■>)* 51П(/Сф + фмСв)А> ;Z-12 Q (ф)Иф) cos [а - р(ф) + /у] - 0,5 Gr (Ф)] 3/2cos(a + /у) = Fr0Z-1£ С8 (ф)Иф) cos [а - Р(ф) + /у]-0.5G, (ф)] 3/2sin(a + /у) = 0оF, = С8 (ф){ W(ф) cos[a - Р(ф) + гу] - 0,5Gr (ф) }1,5,где индексы н(в), i свидетельствуют о
принадлежности параметра к наружному
(внутреннему) кольцу и (или) /-му телу
качения; Р\ и Р - вероятность микрокон¬
тактирования деталей по одной паре мик¬
ронеровностей и вероятность микрокон¬
тактирования в ОК; пш - число микроне¬
ровностей в зоне контакта; Rq, Rmax, Rp, S,
bm, v, k2 - параметры шероховатости по¬
верхностей; X - коэффициент толщины
пленки; F, Fr - общая и радиальная на¬
грузка в контакте; Еу, г| - модуль упруго¬
сти и коэффициент Пуассона материалов
деталей; Ер - сумма главных кривизн по¬
верхностей в точке касания; па, щ - конст¬руктивные параметры подшипника;
Аа - площадь дефекта; £о(*)> Кх) ~ гидро-
динамическое давление и толщина сма¬
зочной пленки в точке с координатой х\ }ДВ,
п - динамическая вязкость и пьезокоэф¬
фициент вязкости смазочного материала;5 - сближение поверхностей; Ха, Хь - кри¬
визны поверхностей до деформации;
hm 1 - наименьшее расстояние между неде-
формированными поверхностями; /?о -
толщина смазочной пленки в точках экс¬
тремумов давления; А - коэффициент
пропорциональности; Va, Уь - скорости
перемещения поверхностей; s, £д - пара¬
метры, определяющие профиль дефекта;
КОНТРОЛЬ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ И ТРИБОДИАГНОСТИКА529Рис. 6.14. Схема воздействия характеристик подшипникового узла на
диагностический параметр НИВ
530Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯDmaxi и х' - параметры, характеризую¬
щие размер и форму дефекта; Тп(х) - по¬
лином Чебышева; R((p), Ro - текущее и
среднее значения радиуса дорожки каче¬
ния; ф - угловая координата; Qk, ф* - ам¬
плитуда и фазовый угол к-й гармоники
радиуса дорожки качения (к = 1 для экс¬
центриситета, к = 2 для овальности,
к = 3 - для огранки и т.д.); р - предельный
номер учитываемой при анализе гармони¬
ки; а - координата ближайшего к Fr тела
качения; W и р - модуль и аргумент век¬
тора смещения кольца; у = 2я/Z - угловое
расстояние между телами качения;
Z - число тел качения; Сь, Gr - упругая
характеристика и радиальный зазор в под¬
шипнике.Модель описывает характер влияния
на рассматриваемый контролируемый па¬
раметр таких характеристик ОК, как но¬
минальная макрогеометрия, регулярные
отклонения геометрической формы, шеро¬
ховатость и параметры локальных дефек¬
тов рабочих поверхностей деталей, свой¬
ства конструкционных и смазочных мате¬
риалов, режимы и условия работы ОК и
т.п. (рис. 6.14). Таким образом, получае¬
мая информация об ОК многопараметри¬
ческая, что, с одной стороны, обеспечива¬
ет возможность реализации комплексного
контроля его состояния, характеризуемого
совместным влиянием всей совокупности
внутренних параметров ОК и внешних
факторов, а с другой - создает условия
контроля отдельных характеристик техни¬
ческого состояния ОК.При решении задачи выделения не¬
обходимой информации о состоянии под¬
шипника принимаются во внимание сле¬
дующие особенности электроконтактных
методов:- на значение контролируемого па¬
раметра влияют только те участки рабочих
поверхностей деталей, которые за время
его оценки попадают в контактные зоны
нагруженных тел качения с кольцами;- с увеличением нагрузки в контакте
вероятность микроконтактирования дета¬лей возрастает, что приводит к увеличе
нию чувствительности параметра к со
стоянию находящихся в контактной зоне
участков рабочих поверхностей;- неравномерность распределения на¬
грузки между телами качения создает
возможность задания требуемой чувстви¬
тельности параметра К к различным уча¬
сткам поверхностей путем их соответст¬
вующего нагружения.С учетом указанных особенностей
выделение необходимой информации о
состоянии ОК осуществляется путем соз¬
дания алгоритмов обработки информациио флуктуирующем значении его сопротив¬
ления (проводимости), адаптированных к
имеющему место в ОК или создаваемому
при диагностировании характеру его на¬
гружения.6.4.3. Методы и средства дефектоскопииФизические основы. Попадание де¬
фектного участка поверхности (риски,
лунки, трещины, раковины и т.п.) в на¬
груженную контактную зону трибосопря¬
жения вызывает релаксацию давления, что
приводит к уменьшению толщины разде¬
ляющей поверхности смазочной пленки,
возрастанию вероятности микроконтакти¬
рования деталей и, соответственно, значе¬
ния параметра К. При этом степень влия¬
ния дефекта на К зависит от его вида и
величины, а между его размерными пара¬
метрами (протяженность, глубина, объем)
и значением К существуют однозначные
монотонные зависимости (рис. 6.15).Это явление положено в основу элек¬
трических методов дефектоскопии, кото¬
рые применительно к подшипникам каче¬
ния обеспечивают обнаружение регламен¬
тированных НТД повреждений рабочих
поверхностей колец и тел качения как от¬
дельного подшипника, так и опоры каче¬
ния узла с глубиной поиска до повреж¬
денного тела качения и местоположения
дефекта на дорожке качения каждого из
колец в условиях рабочего и тестового
контроля.
КОНТРОЛЬ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ И ТРИБОДИАГНОСТИКА53110'10410ю6ю7100 50 100 150 200 МКМ 300
Линейная протяженность дефекта
«)Рис. 6.15. Примеры эпюр гидродинамического давления в конга юной зоне
подшипника (а) и расчетных зависимостей К от глубины (б) и протяженности (в)моделируемой раковины:1 - дефект отсутствует, h= 0,612 мкм; 2 - глубина дефекта 0,212 мкм, протяженность 236 мкм,
h = 0,547 мкм; 3 - глубина дефекта 1 мкм, протяженность 221 мкм, h = 0,354 мкм;4 - глубина дефекта 1 мкм, протяженность 236 мкм, h = 0,318 мкмСпецифика электрорезистивных ме¬
тодов (отсутствие первичного преобразо¬
вателя, совершающего перемещения отно¬
сительно контролируемой поверхности
при сканировании) и ОК (контролируемые
поверхности при работе подшипника со¬
вершают сложные относительные пере¬
мещения) обусловливает специфику прин¬
ципов локализации зоны контроля на
исследуемой поверхности и сканирования.Принцип локализации зоны кон¬
троля заключается в обеспечении неиз¬
менного положения исследуемой рабочей
поверхности относительно вектора ради¬
альной составляющей нагрузки Fr завремя Тц измерения параметра К :т» zD - л., (ол, (о]«*.лучшую чувствительность и разрешаю¬
щую способность метода, определяется
угловым расстоянием между телами каче¬
ния (ф0 = у ) и обеспечивается для шари¬
ковых и роликовых подшипников при вы¬
полнении условий:Fr /[ZC5 (0,5G,.)] '-5< [l /cos(2:t /Z)-1]'-5/Z ;2 Fr l[ZCbGr]<[1 / cos(2 я / z)-\]/Z.В этом случае относительная нагруз¬
ка Fq на тело качения с координатой
0<у определяется только значением 0
(кривые 3 на рис. 6.17):За счет радиальной силы происходит
односторонний выбор зазора, и в подшип¬
нике образуется зона нагружения, ограни¬
ченная некоторым угловым сектором ± ф0
(рис. 6.16). В этом случае зона контроля
совпадает с зоной нагружения, располо¬
жена симметрично вектору Fr , а нагрузка
в ее пределах изменяется от максимально¬
го значения в центре до 0 на ее границах
(рис. 6.17). Минимально возможный раз¬
мер зоны контроля, обеспечивающий наи¬Рис. 6.16. Схема радиально нагруженного
подшипника качения
532Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ200 град 3000 100 200 град 300
9 -б)Рис. 6.17. Распределение Fq в зоне
нагружения подшипника типа 306 для раз¬
ных значений радиального зазора Gr при
Fr- 3 кН (а) и для различной нагрузки Fr
при Gr = 20 мкм (6) (0,. = 180°)Fq = [cos 0 + sin 0 ctg(0 - у)]-1.Принцип сканирования заключается
в изменении относительного положенияисследуемой поверхности и вектора Frпри обеспечении неизменной чувстви¬
тельности информативного параметра к
состоянию контролируемых участков по¬
верхностей и стабилизации влияния на его
значение качества неконтролируемых по¬
верхностей и прочих факторов. Пути реа¬
лизации данного принципа могут быть
различными: перемещение контролируе¬
мой поверхности относительно Fr ; изме¬
нение направления Fr относительно по¬
верхности; анализ взаимного положения
Fr и поверхности при работе ОК в экс¬плуатационных режимах при автоматиче
ском управлении алгоритмом обработки
информации.Алгоритмы контроля подразделя¬
ются на рабочие (пассивные) и тестовые
(активные), на алгоритмы с непрерывным
последовательным, дискретным зональ¬
ным и дискретным зонально-селективнымсканированием (рис. 6.18).При реализации непрерывного по¬
следовательного сканирования путем из¬
менения взаимного положения исследуе¬
мой поверхности и вектора нагрузки с
постоянной скоростью сканирования шск
осуществляют перемещение зоны контро¬
ля по этой поверхности при непрерывной
регистрации контролируемого параметра
К (/). О наличии дефекта судят по харак¬
терному увеличению (всплеску) параметра
(Кд) относительно фонового уровня (Кф), о
его местоположении - по координате
всплеска, соответствующей расположе¬
нию дефекта на линии действия нагрузки,
а о размерах дефекта - по величине
всплеска. На рис. 6.19 в качестве иллюст¬
рации представлены примеры характер¬
ных диаграмм К (/) при поиске дефектов
рабочих поверхностей бывших в эксплуа¬
тации подшипников (алгоритм непрерыв¬
ного последовательного сканирования за
счет изменения положения контролируе¬
мой поверхности относительно Fr) и фо¬
тографии выявленных дефектов.Алгоритмы дискретного зонального
сканирования предусматривают условное
деление поверхности на участки, смещен¬
ные друг относительно друга на шаг ска¬
нирования фск, и получение информациио каждом из участков (теле качения) пу¬
тем измерения параметра К/ при совме¬
щении центра участка (тела) с направле¬
нием нагрузки.При реализации алгоритмов дис¬
кретного зонально-селективного скани¬
рования подшипник работает в эксплуа¬
тационных режимах, а информация о раз¬
личных участках контролируемой поверх¬
КОНТРОЛЬ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ И ТРИБОДИАГНОСТИКА533Рис. 6.18. Алгоритмы сканирования при поиске дефектовности формируется путем анализа взаим¬
ного расположения поверхности и нагруз¬
ки и автоматического управления алго¬
ритмом сбора и обработки информации.
При этом значение параметра К/ для каж¬
дого участка поверхности определяется за
несколько (Ад циклов измерения в перио¬ды времени нахождения этого участка в
зоне контроля.Выбор базового алгоритма осуществ¬
ляется в зависимости от конструктивных
особенностей ОК, этапа контроля и тре¬
буемых его показателей с учетом реко¬
мендаций табл. 6.1.6.1. Сравнение характеристик различных алгоритмов поиска дефектовПоказатель контроляРекомендации по выбору алгоритмовВид контроляТестовыйАлгоритмы дискретного зонально-селективного скани¬
рованияРабочийЛюбой из алгоритмовОбъектконтроляОтдель¬
ный под¬
шипникСканирование за счет изменения положения поверхно¬
стиПодшип¬
ник в узлеСканирование за счет изменения направления нагрузки
534Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯПродолжение табл. 6;Показатель контроляРекомендации по выбору алгоритмовЧувствитель¬ЛучшиеАлгоритмы дискретного зонального сканирования, при
реализации которых зона контроля имеет наименьший
размер, равный размеру зоны нагружения в подшипни¬
ке, и наиболее неравномерное распределение средней
нагрузки в пределах зоны контроляность, разреша¬
ющая способ¬
ность, точность
определения
местоположе¬СредниеАлгоритмы непрерывного последовательного сканиро¬
вания, при реализации которых зона контроля расширя¬
ется на величину ооск Ги, а максимальное значение на¬
грузки уменьшаетсяния дефектаХудшиеАлгоритмы дискретного зонально-селективного скани¬
рования, при реализации которых зона контроля увели¬
чивается на угол 2у, а распределение нагрузки в преде¬
лах зоны имеет менее выраженный максимум, значение
которого снижается в 2 разаПродолжитель¬
ность контроляМини¬мальнаяАлгоритмы непрерывного последовательного и дис¬
кретного зонально-селективного сканирования при со¬
вмещении процедуры формирования и обработки ин¬
формации обо всех участках контролируемой дорожки
или обо всех телах каченияМакси¬мальнаяАлгоритмы дискретного зонально-селективного скани¬
рования при последовательной обработке информации
обо всех участках контролируемой дорожки или обо
всех телах каченияРежимы поиска дефектов для каж¬
дого из алгоритмов задаются из условия
обеспечения заданных показателей кон¬
троля. Их расчет производится по специ¬
альным методикам и программам, при
этом в качестве исходных данных наряду
с требуемыми показателями (глубиной
поиска, точностью определения местопо¬
ложения дефекта, продолжительностью
контроля) рассматриваются структурные
параметры ОК и априори известные ре¬
жимы; в качестве определяемых парамет¬
ров - Fr, Ги, фск или ооск, частоты враще¬
ния колец (сон(в)) или нагрузки (a>F), а вкачестве критериев - максимальная чувст¬
вительность, предельно допускаемые зна¬
чения флуктуаций контролируемого пара¬
метра, не обусловленных изменением ка¬чества поверхностей, и нестабильности
нагружения контролируемых и неконтро¬
лируемых поверхностей.Так, например, при поиске дефектов
колец при дискретном зонально¬
селективном сканировании основными
расчетными режимами являются Fr, фск и
ЛГц, при этом Fr определяют из ранее при¬
веденных условий обеспечения мини¬
мальных размеров зоны контроля, фск вы”
бирают кратным Z из выраже¬
ния: фск < AnyflA/Z , a Nn - удовлетво¬
ряющим условиям обеспечения предельно
допускаемой нестабильности эпюр сред¬
ней нагрузки на контролируемом и некон¬
тролируемом кольцах (Дк , Днк ) и сред¬
ней нагрузки натела качения (Дт):
Рис 6.19. Примеры зависимостей К(/) при дефектоскопии подшипника 208с различными локальными дефектами поверхностей:а - усталостное отслаивание на шарике; б - два участка коррозионной сыпи на дорожке качения
наружного кольца; в - трещина внутреннего кольца; г - локальный износ дорожки качения внут¬
реннего кольца в виде коррозии; д - раковина усталостного выкрашивания на шарике
536Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯДк > 22>е/(0) /Ow)-np(0)/=1 J1=1£^,(6) /(tf„*2z)-Fe(e)шахАт >«и 2гМц)_'Е |^Тт,(етУ¥к-Г/(2я)1=1 о2тг/у, 5где А - предельно допускаемая неравно¬
мерность максимума Fcp(0) на контроли¬
руемой дорожке; индексы К(НК), Т - сви¬
детельствуют о принадлежности парамет¬
ра контролируемому (неконтролируемо¬
му) кольцу или телу качения; СК(нк)(0) -
число контактов точки с координатой 0
дорожки качения кольца с нагруженными^сР(0) =О,2502 /у20,5-0,25(е/у-2 )20,25(4-9/у)2ОО0<9<у
у < 0 < Зу
Зу < 0 < 4у ’
4у <0^т/я/(®т) “телами качения за циклов нагружения*
FCP(0), ^е/(0) - номинальная средняя на¬
грузка и нагрузка, воспринимаемая при i-м
контакте с телом качения точкой дорожки
качения с координатой 0; FTmi (0Т) - на_
грузка, воспринимаемая т-ым телом каче¬
ния с координатой 0Т в i-м цикле нагруже¬
ния;о1-(ег-е)/у1+(0г-е)/уОО<0<0Л —у
0л-у<0<0г
0Г <0<0Г +у’
0г+у<0<2я0oot,/Y-VkO-*i)/Y
2-0o«//Y + Vk(1“*iVyОЧ'к<во«/+Ч'кМЧ'к+УY + Vk <e0m/+\|/K*i ^Vk+2y ’v|/K+2y<0Om, +v|/K^ <2nr«e Go»/= У(т - ]) + 2n(i - l)*i.
ет = (0omi + + Vk^i) e [°> 2lt] - началь-
ная и текущая координаты т-то тела каче¬
ния в i-м цикле нагружения; \|/к е[0, 2у] -угол поворота кольца с момента начала
каждого из циклов.Средства поиска дефектов вклю¬
чают, как правило, электронные устройст¬
ва (приборы и системы) для сбора и ана¬
лиза измерительной информации о
флуктуирующем значении контролиру¬
емого параметра и стендовое оборудова¬
ние для привода и требуемого нагружения
ОК (при рабочем контроле стендовое
оборудование может отсутствовать). На
рис. 6.20 в качестве примера представлены
структурные схемы некоторых из них.Обязательным элементом электрон¬
ных устройств является цепь формирова¬
ния электрического сигнала, несущего
информацию о значении контролируемого
параметра НИВ (К). Цепь включает ис¬
точник постоянного электрического на¬
пряжения 4, формирователь импульсов 5 и
осуществляющие контакт с подвижными
деталями ОК токосъемники 6. Она преоб¬
разует импульсы проводимости OK 1 при
микроконтактировании в прямоугольные
импульсы напряжения той же длительно¬
сти с уровнем логической единицы на вы¬
ходе формирователя 5. Сигнал, пропор¬
циональный параметру К, формируется с
помощью счетчика 7, временного селекто¬
ра 8 и генератора опорной частоты 9 или
путем аналогового интегрирования им¬
пульсов напряжения блоком 25.
КОНТРОЛЬ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ И ТРИБОДИАГНОСТИКА537а)в)г)Рис. 6.20. Устройства поиска дефектов тел качения (а) и колец подшипников (б-г) с
дискретным зональным (а), дискретным зонально-селективным (б) и непрерывнымпоследовательным (в, г) сканированием за счет изменения направления Fг относительноповерхности (а-в) и положения поверхности относительно Fг (г):1 - контролируемый подшипник; 2 - вал; 3 - корпус; 4 - источник напряжения; 5 - формирователь
импульсов; 6 - токосъемник; 7 - счетчик; 8 - временной селектор; 9 - генератор опорной частоты;
10 - устройство нагружения; 11 - датчик углового положения; 12 - блок управления; 13 - генера¬
тор; 14 - блок задержки; 15 - одновибратор; 16 - ключ; 17 - канал дискретного счета; 18 - диск с
метками; 19, 20 - делители частоты; 21- триггер; 22, 23 - приводы; 24 - элемент дискретного сче¬
та; 25 - интегратор; 26 - дифференциальный усилитель; 27 - регистрирующее устройство;28 - компенсатор; 29 - пороговый элемент; 30 - отметчик; 31,32- преобразователи положения
вала и Fr\ 33 - переключатель; 34 - преобразователь разности фазДля реализации сканирования в усло¬
виях тестового контроля используется
либо дополнительный привод 22, осуще¬
ствляющий перемещение контролируемой
поверхности относительно вектора ради¬
альной нагрузки, либо устройство ради¬
ального нагружения 10, реализующее за¬
данный закон нагружения объекта в про¬цессе контроля. Поиск дефектов в услови¬
ях рабочего контроля при использовании
алгоритма дискретного зонально-селек¬
тивного сканирования предполагает нали¬
чие дополнительных измерительных кана¬
лов для получения апостериорной инфор¬
мации о текущем взаимном расположении
контролируемой поверхности (детали) и
538Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯFr , необходимой для автоматическогоуправления алгоритмом обработки дан¬
ных.6.4.4. Методы и средства контроля от¬
клонений формы поверхностейФизические основы. Значение кон¬
тролируемого параметра К в каждый мо¬
мент времени t определяется соотношени¬
ем толщины смазочной пленки и парамет¬
ров микро- и макрогеометрии участков
поверхностей в нагруженных контактных
зонах. При работе ОК в контактные зоны
попадают различные сочетания участков
поверхностей при разных нагрузках, след¬
ствием чего является непрерывное изме¬
нение функции К(/), которая имеет детер¬
минированную составляющую, опреде¬
ляемую конструктивными особенностями
ОК. Отклонения макрогеометрии рабочих
поверхностей (овальность, гранность)
приводят к периодическому изменению
кривизны контактирующих поверхностей
в зонах трения деталей, изменению разме¬
ров площадок контактов, толщины сма¬
зочной пленки и, как следствие, к харак¬
терной трансформации детерминирован¬
ной составляющей К(/).Это явление положено в основу элек-
трорезистивных методов контроля откло¬
нений формы рабочих поверхностей узловО 60 120 180 240 300 360°
ФРис. 6.21. Зависимости К (ф) для
подшипника с овальностью (/) и
трехвершинной огранкой (2) дорожки
качения местно-нагруженного кольцамашин и механизмов, которые примени
тельно к подшипникам качения обеспечи'
вают идентификацию Доминирующ^
вида, оценку ориентации и значений от-
клонений макрогеометрии дорожек каче
ния колец как отдельного подшипника
так и опоры качения в условиях рабочего
и тестового контроля.Контроль местно-нагруженныхколец подшипников и опор качения. Для
подшипников качения из-за периодиче¬
ского перераспределения нагрузки между
телами качения детерминированная со¬
ставляющая функции К(/) при отсутствии
отклонений формы рабочих поверхностей
имеет практически одну гармонику с час¬
тотой /CZ, где /с - частота вращения сепа¬
ратора.Макроотклонения дорожки качения
местно-нагруженного кольца (в зависимо¬
сти от вида нагружения подшипника оно
может быть наружным или внутренним,
вращающимся или неподвижным) приво¬
дят к изменению постоянной и перемен¬
ной составляющих функции K(t), причем
степень и характер влияния определяются не
только видом и значением макроотклонений,но и их ориентацией относительно Fr. Ха¬
рактерно, что зависимость параметра К от
угловой координаты ф расположения кольца
относительно вектора Fr содержит практи¬
чески одну гармоническую составляющую
(рис. 6.21) с частотой, соответствующей до¬
минирующему виду макроотклонений его
дорожки качения (для овальности - вторая
гармоника, трехгранности - третья и т.д.), и
фазовыми углами, характеризующими
ориентацию макроотклонения (направле¬
ние овальности наружного кольца соот¬
ветствует координатам минимума, а внут¬
реннего - максимума второй гармоники).В соответствии с указанным явлени¬
ем при контроле в качестве контролируе¬
мых параметров используются амплитуды
и фазовые углы характерных гармониче¬
ских составляющих функции К(ф). При
КОНТРОЛЬ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ И ТРИБОДИАГНОСТИКА539£0М обобщенный алгоритм контроля за¬
дается в получении и гармоническом^ализе зависимости К(ф). Для этого кон-
фолируемое кольцо условно разбивают на
^участков (пу >2А/тах +1), получают пу
^счетов К(фу), совмещая каждый раз
^правление Fr с центром /-го участка
дорожки качения (с угловой координатой
. ф. = 2ni / пу ) и проводят гармоническийанализ функции К(ф/). Вид доминирую¬
щего макроотклонения идентифицируют
сравнением амплитуд информационных
гармоник, а его ориентацию - по фазово¬
му углу соответствующей гармоники.Пример результатов контроля под¬
шипника представлен на рис. 6.22.Контроль циркуляционно-нагру-
женного кольца подшипника. Макроот¬
клонения дорожки циркуляционно-нагру-
женного кольца наряду с изменением по¬
стоянной и переменной составляющих
функции К(/) вызывают изменение ееО 100 200 300 400
Ф ^Рис. 6.22. Экспериментальные значения ирасчетная зависимость К (ф/) для
подшипника 1000900 с овальной дорожкой
качения местно-нагруженного наружного
кольцаспектрального состава. При этом каждому
виду макроотклонений соответствует ха¬
рактерный только для него набор инфор¬
мационных составляющих, изменение
значения отклонения лишь перераспреде¬
ляет их весомость, а частоты информаци¬
онных составляющих (/И) определяются из20 00Ш ChannelIё 10.00;щ-иМ1'Г- г \ V-ООО:к„"151: 0,04,/с= 79 Гц^т224+ Л~ 224 Гц
М = 3, L = 2fcZ + /в= 151 Гц
А/ = 3,1 = 1ад70 80 10ЙFrequency (КЗРис. 6.23. Спектрограмма K(t) для подшипника 208 с трехгранностью дорожки
качения циркуляционно-нагруженного внутреннего кольца и круглограмма
контролируемой дорожки качения
540Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯРис. 6.24. Устройства контроля
циркуляционно- (а) и местно-нагруженных
(б) колец:1 - подшипник; 2 - вал; 3 - корпус; 4 - источ¬
ник напряжения; 5 - формирователь импуль¬
сов; 6 - токосъемник; 7 - счетчик; 8 - времен¬
ной селектор; 9 - генератор опорной частоты;10- устройство нагружения; 11 - ЦАП;12,14 - квадратичные детекторы; 13 - управ¬
ляемый полосовой фильтр; 15 - преобразова¬
тель отношений; 16- датчик; 17 - измеритель
частоты; 18- блок управления; 19- вычисли¬
тельное устройствовыражений:f*=U)M и f„={fcZ + fH(B)ML),где /Н(в) ~ частота вращения кольца; М = 2
для овальности и М- 3, 4, ... для огранки
соответствующего порядка; L= 1,2,....В соответствии с указанным явлени¬
ем при контроле в качестве диагностиче¬
ских параметров используются спектраль¬
ные характеристики функции К(/), в част¬
ности, параметр Kw = (KF )2 /(К0)2, характе¬
ризующий энергетический вклад гармони¬
ческих составляющих на информацион¬
ных частотах в спектр К(/), где (KF)2 и
(К0)2 - мощности частотной и всей пере¬
менной составляющей функции К(/).Обобщенный алгоритм контроля за¬
ключается в спектральном анализе функ¬ции К(/), результатом которого является
распределение амплитуд или спектраль¬
ной плотности мощности частотных со
ставляющих сигнала. При этом вид доми¬
нирующего макроотклонения идентифи¬
цируют по совокупности информацион¬
ных частот, соответствующих наиболее
мощным пикам спектра, а его значение Q
оценивают на основе рассчитанных для
характерных составляющих сигнала зна¬
чений Kw и функциональных зависимо¬
стей К,„(0, полученных предварительно
расчетным путем (по диагностической
модели) или экспериментально (путем
градуировки). В основу алгоритма функ¬
ционального преобразования сигнала из
временной области в частотную заложено
преобразование Фурье для дискретно¬
временных величин, а обеспечение тре¬
буемой точности анализа при малых зна¬
чения Ги достигается путем усреднения
текущих (выборочных) спектров.Пример результатов контроля под¬
шипника представлен на рис. 6.23.Средства контроля также включают
электронные устройства и стендовое обо¬
рудование. Принцип их построения иллю¬
стрируется структурными схемами, пред¬
ставленными на рис. 6.24.6.4.5. Методы и средства комплексного
контроля подшипников и опор каченияПерспективным направлением по¬
вышения достоверности контроля узлов
машин и механизмов является реализация
комплексного подхода, сущность которо¬
го применительно к опорам качения за¬
ключается в следующем:- в качестве ОК рассматривается не
собственно подшипник, а система "под¬
шипник - сборка - смазочный материал -
режимы и условия работы”;- контроль проводится на различных
этапах жизненного цикла изделий (вход¬
ной контроль новых подшипников и де-
фектация бывших в эксплуатации под¬
шипников, контроль опор в процессе
КОНТРОЛЬ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ И ТРИБОДИАГНОСТИКА541проведения механосборочных работ, кон¬
соль подшипников в процессе эксплуата¬
ций ответственных изделий, проведения
исследований и испытаний);- на каждом из этапов наряду с опре¬
делением нормируемых в НТД параметров
технического состояния подшипника осу¬
ществляется комплексная оценка его фак¬
тического состояния как системы, с уче¬
том решаемых задач.Общий принцип комплексной оцен¬
ки состояния подшипника как системы
заключается в обеспечении для каждого
участка поверхности наружного и внут¬
реннего колец, а также каждого тела каче¬
ния одинаковых условий влияния их со¬
стояния на значение контролируемого
параметра при режимах и условиях рабо¬
ты объекта, соответствующих эксплуата¬
ционным.Специфика целей, задач и объектов
контроля на различных этапах жизненного
цикла изделий обусловливает специфику
алгоритмов и средств контроля, а также
критериев выбора режимов, обеспечи¬
вающих требуемые показатели контроля.Входной контроль новых подшип¬
ников наиболее эффективен при изготов¬
лении и ремонте сложных, ответственных
и дорогостоящих изделий, а также изде¬
лий с тяжелыми условиями работы под¬
шипников. Задача комплексной оценки
состояния - выявление подшипников, об¬
ладающих потенциально низкой надежно¬
стью при конкретных режимах и условиях
эксплуатации в данном виде изделий.Алгоритм контроля заключается в
следующем: подшипник смазывают тре¬
буемым количеством смазочного материа¬
ла заданного состава, устанавливают на
стендовое оборудование, имитирующее
эксплуатационные режимы (частоты вра¬
щения колец, характер нагружения) и из¬
меряют параметр К . При этом решение о
целесообразности установки подшипника
в изделие принимают из условия К < Кдоп.Значение Ги выбирается из условий
обеспечения требуемой точности выпол¬нения принципа комплексной оценки из
выражений:ТИ > 2п(1- Дс)/ Ас(£1(2)СОв(н>);
ги>:гз(1-к)?р 2 /(К8к2),г огде*1(2) = ОДо'о + Dw cosa0)/d0;dQ - средний диаметр подшипника; Dw -
диаметр тел качения; а0 - угол контакта;
Дс, 5К - допускаемые значения относи¬
тельной погрешности из-за некратности Ги
значению l/fc и оценки Рк по К; -квантиль распределения для доверитель¬
ной вероятности р0.Значение Кдоп определеяется из
условия обеспечения требуемого уровня
надежности объекта. Методика основыва¬
ется на теоретических зависимостях меж¬
ду К и коэффициентом толщины пленки
X, связь которого с долговечностью под¬
шипников широко известна (рис. 6.25).
Задаваясь требуемым уровнем долговеч¬
ности подшипника, по справочным дан¬
ным определяют соответствующее значе¬
ние X, а по диагностической модели -
значение Кдоп( X). Например, для подшип¬
ника 208 получены зависимости
(рис. 6.26):К = {l - [0,5 + Ф(Х)] 9’27Л}2,2/3 _9 2где Л = Ю !Sm .Контроль опор качения при прове¬
дении механосборочных работ выполня¬
ется с целью оценки качества сборки узла,
проведения регулировки. Задача - оценка
фактического состояния подшипника,
сформировавшегося при сборке узла. Ал¬
горитм контроля основывается на оценке
интегральных параметров функции K(t):
К и (стк/К)2, где ак - среднеквадратич¬
ное значение К(0-
542Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ+ Лю с сотрудниками
О Андрсасснд и Лунд
♦ С курка
■ Дсннср
▼Мойер и Бианки
а Хоббсх Ваэсссн и Дс ДжиК6)Рис. 6.25. Зависимости отношения
фактической долговечности подшипника /,ф
к долговечности расчетной Z,10 от X пара¬
метра, полученные Скурка (а) и другими
учеными (б)Алгоритм рабочего контроля заклю¬
чается в измерении указанных параметров
при работе узла в эксплуатационных ре¬
жимах, при этом условия выбора Ги ана¬
логичны вышеизложенным. Алгоритм
тестового контроля базируется на алго¬
ритме контроля отклонений формы мест-
но-нагруженного кольца, при этом в каче¬
стве контролируемого используется пара¬
метр Кф:Рис. 6.26. Зависимости К (Л) для
подшипника 208 при различных значенияхЛ = Fr2/3W9fSm2Дефектация бывших в эксплуата¬
ции подшипников проводится при техни¬
ческом обслуживании и ремонте изделий с
целью оценки степени износа подшипника
и принятия решения о возможности его
эксплуатации в течение следующей меж-
контрольной наработки. Задачи различа¬
ются в зависимости от вида объекта кон¬
троля: при дефектации опор качения оп¬
ределяется фактическое состояния под¬
шипника с учетом качества смазочного
материала и влияния прочих факторов;
при дефектации демонтированного под¬
шипника оценивается степень износа его
рабочих поверхностей.В качестве контролируемого пара¬
метра используется К. Контроль опор
качения - рабочий. Контроль демонтиро¬
ванного подшипника - тестовый, при этомопределяется среднее значения К за не¬
сколько (Jn) периодов непрерывного или
дискретного сканирования при реализации
любого из алгоритмов поиска дефектов:_ ЛЛк_К = — jk(/)afr
0Т ТJ п1 скИЛИ_ 1 3Л-1К= Л" у ,Кф=—Ук(ф,.).У 1Рекомендации по выбору режимов
соответствуют базовым алгоритмам.
КОНТРОЛЬ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ И ТРИБОДИАГНОСТИКА543i Контроль подшипников при экс¬
плуатации изделий, проведении испы¬
таний и научных исследований. ОК -Подшипниковая система с учетом всего
j комплекса влияющих факторов. Основная
[цель - получение комплексной оценки
I состояния ОК. Алгоритм контроля заклю¬
чается в измерении интегральных элек¬
трических параметров при работе ОК в
j эксплуатационных режимах и условиях,
i Путем экспериментальных исследо-
j ваний, промышленного апробирования и
| внедрения установлена высокая эффек-
: тивность электрорезистивных методов
. комплексной оценки состояния опор каче-
{ния при решении следующий научно-
j производственных задач:! - предотвращение внезапных отказов
■ высокоскоростных опор при эксплуатации
г машин и механизмов;- мониторинг процесса технологиче-
; ской обкатки высокоскоростных опор с
{ пластичным смазочным материалом;- обоснование режимов работы и
I экспресс-контроль систем с малым расхо-
; дом смазочного материала;- идентификация вида и количест-
| венная оценка состояния смазочного ма¬
териала в подшипнике;- оценка характера и параметров за¬
кона распределения сопротивления ОК при
лолужидкостной смазочном материале.Средства комплексного контроля и
диагностирования узлов машин и меха¬
низмов подразделяются на группы, харак¬
теризуемые спецификой назначения и
предъявляемых требований.К первой группе относятся средства,
предназначенные для научных исследова¬
ний. Основные требования - универсаль¬
ность, полнота диагностирования, воз¬
можность оценки ряда диагностических
параметров, реализации различных алго¬
ритмов получения и обработки данных.
Такие средства выполняются в виде диаг¬
ностических комплексов и систем, бази¬
рующихся на ЭВМ и обеспечивающих
сбор, хранение и обработку информации.гл-Jy
18ачGD—*“2ни720Ч—VЩ**II212223Рис. 6.27. Функциональная схема
системы САДТ-1:1 - преобразователь сопротивления;2 - преобразователь ЭДС; 3 - преобразователь
микроконтактирования; 4 - токосъемное уст¬
ройство; 5,6- преобразователи положения;7 - преобразователь частоты; 8-17 - преобра¬
зователи температуры; 18- аналого-цифровойпреобразователь (АЦП); 19- адаптер
MicroLAN-COM; 20 - блок цифровой обработ¬
ки; 21 - блок памяти; 22 - персональный
компьютер; 23 - блок питанияКо второй группе относятся средства,
предназначенные для решения различных
задач диагностирования, контроля и про¬
гнозирования ОК при изготовлении, тех¬
ническом обслуживании и ремонте машин
и механизмов. Основные требования -
возможность эксплуатации в производст¬
венных условиях, простота, надежность и
портативность.Особую группу составляют средства
непрерывного контроля состояния опор
при эксплуатации ОК с целью предотвра¬
щения их аварийных отказов. Как прави¬
ло, они включают устройства сигнализа¬
ции и автоматического отключения ОК, а
конструктивно выполняются в качестве
встроенных средств.В настоящее время разработаны и
находят применение различные модифи¬
кации средств контроля и диагностирова¬
ния, относящиеся к указанным трем груп¬
пам. В качестве примера устройства пер¬
вой группы рассмотрим автоматизирован¬
ную систему сбора и анализа данных
САДТ-1 (рис. 6.27), разработанную в Ор¬
ловском государственном техническом
университете. Система обеспечивает оцен-
544Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯРис. 6.28. Схема (я) двухопорного узла и
схема его замещения (б)ку состояния трибосопряжения по ряду
диагностических параметров, при этом
наряду с электрорезистивными реализу¬
ются генераторные методы. Оцениваются
статистические моменты закона распреде¬
ления сопротивления, проводимости и
ЭДС (среднее, среднее квадратическое и
среднее степенное значения, асимметрия,
эксцесс), строятся гистограммы, полигоны
распределения, кумулятивные кривые,
проводится спектральный анализ, опреде¬
ляются параметры микроконтактирования
(НИВ, средняя частота и средняя длитель¬
ность).Для реализации алгоритмов поиска
дефектов и оценки параметров отклоне¬
ний макрогеометрии рабочих поверхно¬
стей предусмотрена возможность обра¬
ботки получаемой информации с учетом
взаимного расположения деталей ОК. Для
этого введены каналы измерения, контро¬
ля и регистрации частот вращения двух
деталей (для подшипника - кольца и се¬
паратора), определения их взаимного по¬
ложения. Кроме того, имеется канал изме¬
рения, контроля и регистрации температу¬
ры деталей ОК в десяти точках.Система САДТ-1 имеет следующие
основные технические характеристики:
диапазон измерения R от 1 до 10 Ом при
значении напряжения на объекте 100 мВ;
диапазон измерения ЭДС от 50 • 10'6 до
10'1 В; верхний предел частотного диапа¬
зона измерения R и ЭДС - 100 кГц; диапа¬
зон измерения частоты от 2 до 10 000 мин'1;
диапазон измерения температуры от 0 до
125 °С.6.4.6. Методы выделения информациио состоянии ОК в узлеБольшой интерес представляет воз¬
можность контроля объектов непосредст¬венно в узлах, что сокращает затраты на
их демонтаж, а в ряде случаев, например
при контроле ОК в процессе сборки или
эксплуатации изделий является необходи¬
мым условием. Сложность решения дан¬
ной проблемы методами электрического
сопротивления заключается в том, что
узел, как правило, содержит несколько
ОК, имеющих гальванические связи меж¬
ду собой посредством конструктивных
элементов узла.Так, например, подшипниковый узел
включает обычно не менее двух подшип¬
ников, установленных на одном металли¬
ческом валу и в общем металлическом
корпусе. По отношению к электронному
средству, подключаемому к кольцам кон¬
тролируемого подшипника (к корпусу и
валу узла), сопротивления подшипников
оказываются соединенными параллельно,
и объектом контроля является не отдель¬
ный подшипник, а система всех подшип¬
ников узла. На рис. 6.28 в качестве иллю¬
страции представлены схема наиболее
распространенного в технике двухопорно¬
го узла и его эквивалентная схема заме¬
щения. Опоры 7 и 2, имеющие сопротив¬
ления /?П| и /?п2, установлены на валу 3 и в
корпусе 4, сопротивления участков кото¬
рых между подшипниками (RB и Ry) малы,
но отличны от нуля.При измерении параметра К для
подшипника 7 подключаемое к точкам
узла А и Б средство контроля будет фик¬
сировать микроконтактирования в любой
из опор и определит Кс для системы
подшипников узла:Kc=Ki+K2-KiK2,где К | и К 2 - значения параметра К для
каждой из опор.При использовании в качестве кон¬
тролируемого параметра среднего сопро¬
тивления измеряемое значение Rcp.c также
определяется флуктуациями сопротивле¬
ний обеих опор 7?ni(t) и Rn2(t):
JCяW0*faCDucdяЯSoяя■e-o43£soJ=яяоcnО«W*<u>taCD>3Яp43яpOnk>40a43CDfaоHPDOfcaCDЯp§pоок>©-я+>3+>}08+>3+>3ce+>3%11Я43яsCDяCDЯsCDОoо5нонDO5Вяхо43ян5оDOо оЯ СПS Оя sJ2 Оп> ^8 «я *X яЯ 43Р оя я43 43я я•=* SCн0 В1 304а 43Ра§ 300 Нfa ЕCD -ЯС43О CDН рю 5я яЯс U)_ Р5 J=
й s
Я SoCDVряsяJ2- ЯР S•S'*£ я
J2 оя оО 43
Яс £я х
яе* sО 3*5 О£ о
р so
я нЯ ^3я §
о ^’S
2р аg О/ S!* ё ё§х * “8о П}02 2:
д «« кы « Кw gi65 I §3 ж
§1г §я J<» ^Е 5оJ2
CDн
43
р0Jta
я^ с
д й
Е £5X gS £? IЙ Яо 43fa я
о№ ^Нтн CD• яWы ^^ я^ s^ я* Uл ^Ъ CD^ 322 430 5
2Я wо яо оо н
сх я0 DOW яW Е1*1 gI Iоаоо\ычоя ЯЙ ^
ts £ЙЕГ5п= ав ■в-£ яS §“ яВ Яv; аё
го
из оs I5 §■§ в
•§ {w гт>Я ьо лн яS Sos а
я sв *S -в-
я оss51О ЯЗа SЁ я
= оноаяяяКОНТРОЛЬ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ И ТРИБОДИАГНОСТИКА 545
546Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯгг2]Т In_/1 ’РГ2 ='^1и F\n]а)Fr2 = О (2 f^l=J>III2рЗГ/у2=0в)FmFr2=0FU2 I,<r\hIII'HIrr 1/*1 zrAnu\lU1d)e)Рис. 6.30. Схемы нагружения двухопорного
узла при тестовом контролесбора и обработки данных. Вторая группа
способов заключается в непосредствен¬
ном измерении контролируемого пара¬
метра для установленного в узле ОК. Рас¬
смотрим примеры наиболее универсаль¬
ных способов.Сущность тестового контроля заклю¬
чается в формировании заданного закона
нагружения ОК и в анализе соответст¬
вующего ему характера изменения кон¬
тролируемого параметра. Нагрузить непо¬
средственно установленный в узле кон¬
тролируемый подшипник, однако, невоз¬
можно - внешнюю силу можно приложить
лишь к валу или корпусу узла, что приво¬
дит к возникновению соответствующих
реакций и в неконтролируемых опорах.
Таким образом, тестовому воздействию
подвергаются все опоры узла, и получить
достоверную информацию о контроли¬
руемом подшипнике, анализируя измене¬
ние параметра для узла, проблематично.Решение указанной задачи достигает¬
ся формированием сложного силового
воздействия на узел, реализующего задан¬
ный закон нагружения контролируемого
подшипника при отсутствии реакции на
это воздействие со стороны других (не¬контролируемых) подшипников у3ла g
этом случае неконтролируемый подщип
ник работает при рабочих режимах, а ха
рактер изменения контролируемого пара
метра в процессе НК узла определяется
только реакцией контролируемого под
шипника на задаваемое тестовое силовое
воздействие, что обеспечивает выделение
информации о его состоянии.Проиллюстрируем реализацию изло¬
женного подхода на примере двухопорно¬
го узла. При необходимости нагружения
контролируемого подшипника изменяю¬
щейся по некоторому закону силой Frl
по обычной схеме (рис. 6.30, а) на некото¬
ром расстоянии U от него (определяется из
конструктивных соображений) приклады¬
вают, например к валу, тестовую силу
Fhi с противоположным направлением и
значением:где /п - расстояние между подшипниками
узла.В результате этого второй подшип¬
ник оказывается также нагруженным си¬
лой FГ2:h „ U
L~ Fm у- - Frj/п +/i*0,а закон изменения измеренного для узла
контролируемого параметра характеризу¬
ет состояние обоих подшипников.Для исключения влияния неконтро¬
лируемого подшипника, согласно описы¬
ваемому способу, на расстоянии /2 от кон¬
тролируемого подшипника прикладывают
дополнительную силу Fm, изменяю¬
щуюся по тому же закону со значением:^Н2 ~ Fmа направлением, совпадающим с направ¬
лением Fhi ; при расположении точек
приложения Fhi и Fm по разные сторо¬
ны от ОК или противоположным направ¬
лению Fhi ; при их расположении по одну
КОНТРОЛЬ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ И ТРИБОДИАГНОСТИКА547борону от подшипника. При этом значе-
■^е Fhi задают из условия:I ^Hi = Fr\ l2//3*Ifjp /3 - расстояние между точками прило¬
жения FH1 И FН2 .j На рис. 6.30, б - е приведены воз¬
можные варианты схем нагружения, каж¬
дая из которых при выполнении указан¬
ных выше условий обеспечивает заданный
закон изменения нагрузки контролируемо¬
го подшипника при отсутствии диагно¬
стического воздействия на второй под-
шипник узла (Fr2 = 0).На практике исключить полностью
; влияние неконтролируемых подшипников,
конечно, невозможно, поскольку, во-
первых, конструктивно невозможно абсо¬
лютно точно выполнить указанные усло¬
вия, а во-вторых, условия получены без
учета деформаций элементов конструк¬
ции. Тем не менее, использование описан¬
ного способа позволяет существенно по-
I высить точность контроля.Наиболее универсальным является
; непосредственное измерение контроли¬
руемого параметра для ОК в узле. Прин¬
цип решения этой задачи заключается в
анализе сигналов измерительной инфор¬
мации не только между корпусом и валом
узла, но и между участками корпуса в
; местах установки подшипников (учитыва¬
ется, что Ry & 0). В соответствии с этим
принципом разработаны способ и средства
определения параметров Д'р и К для ка¬
ждого из подшипников двухопорного узла
(рис. 6.31). Электрическое напряжение
подводится к валу узла непосредственно, а
к наружным кольцам подшипников - че¬
рез добавочные резисторы Яд, при этом
сопротивления Rn\, Rn2 и Rr образуют мос¬
товую цепь, измерительная диагональ ко¬
торой шунтируется сопротивлением RrИскомые значения Rfc?] и R'cp2 длякаждого из подшипников определяются по
показаниям микроамперметра РА и мик¬Рис. 6.31. Устройства раздельного
диагностирования подшипников двухопор¬
ного узла по параметрам /Гср (а) и К (б):1,2- контролируемые опоры; 3 - вал;4 - корпус; 5 - источник опорного напряжения;
6,8,9- формирователи импульсов;7 - дифференциальный усилитель;10,11 - сумматоры; 12,13 - временные селек¬
торы; 14,15 - счетчики; 16- генераторровольтметра PV (рис. 6.31, а) с учетом
того, что потребляемый схемой ток равен
сумме средних значений токов через каж¬
дый из подшипников, а ток через корпус -
полуразности этих значений.
548Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯУстройство для измерения К
(рис. 6.31, б) содержит цепь фиксирования
микроконтактирования (источник напря¬
жения 5, формирователь импульсов 6 и
токосъемник), два идентичных канала из¬
мерения К (временные селекторы 12 и 13,
счетчики 14 к 15, генератор 16), а также
цепь разделения информации о подшип¬
никах (добавочные резисторы Ra, диффе¬
ренциальный усилитель 7, формирователи
импульсов 8 и 9, сумматоры 10 и 11). При
жидкостной смазке в обоих подшипниках
значения Rn] и Rn2 велики, поэтому токи
через блок 6 и корпус 4 (Ry) малы даже в
случае некоторого разбаланса моста из-за
различной толщины смазочной пленки в
опорах. В итоге напряжение на выходе
блока 6 соответствует уровню логического
нуля, а на выходах блоков 8 и 9 - уровню
логической единицы.Микроконтактирование в одном из
подшипников, например в подшипнике 1,
приводит к резкому уменьшению Rnь воз¬
растанию тока в цепи формирователя 6 и
появлению импульса тока через корпус 4 в
направлении от подшипника 2 к подшип¬
нику L В результате срабатывает форми¬
рователь 6, выходной сигнал которого в
виде импульса напряжения той же дли¬
тельности с амплитудой логической еди¬
ницы поступает на первые входы сумма¬
торов 10 и 11. Кроме того, образуется им¬
пульс падения напряжения на сопротивле¬
нии корпуса Ry, который усиливается бло¬
ком 7, формирователем 8 преобразуется в
импульс напряжения той же длительности
с амплитудой логического нуля и поступа¬
ет на второй вход сумматора 10. В случае
микроконтактирования в подшипнике 2 на
корпусе 4 возникает аналогичный импульс
напряжения, но противоположной поляр¬
ности, который после усиления преобра¬
зуется формирователем 9 и поступает на
вход сумматора 11. При микроконтакти¬
ровании в обоих подшипниках разбаланс
моста, обусловленный различием кон¬
тактных сопротивлений подшипников, невызывает срабатывания блоков 8 и 9.Блоки 10 к 11 выполняют функци
логического умножения, поэтому сигнал
соответствующий логической единице'
формируется на выходе блока 10 в случае
микроконтактирования в подшипнике 2 а
на выходе блока 11 - при микроконтакти¬
ровании в подшипнике 1. Эти сигналы
открывают соответствующие временные
селекторы 12 и 13 для прохождения на
счетчики 14 к 15 импульсов заполнения от
генератора 16. В результате числа импуль¬
сов на счетчиках 14 и 15, пропорциональ¬
ны, соответственно, К 2 и Ki.Основной проблемой реализации
способа является низкая чувствительность
измерительных цепей, обусловленная
шунтированием измерительной диагонали
моста малым (доли Ом) сопротивлением
Ry. Для обеспечения максимально воз¬
можной чувствительности проводят сле¬
дующие действия:- минимизируют сопротивление цепи
питания R0’,- измеряют сопротивление участка
корпуса между подшипниками Ry;- оценивают на основе анализа апри¬
орной информации с учетом режимов и
условий работы ОК его контактное сопро¬
тивление RK;- определяют оптимальное значение
опт добавочных резисторов Rr:Яд опт * ^Ry(R0 +ЯК) .6.4.7. Вид и величина подводимого
к ОК напряженияПри реализации электрорезистивных
методов НК и диагностирования для фор¬
мирования измерительного сигнала, не¬
сущего информацию о значениях контро¬
лируемых параметров, к ОК подводится от
внешнего источника электрическая энер¬
гия. Для этой цели объект подключают к
измерительной цепи, запитываемой от
источника электрического напряжения
или источника тока, причем цепи могут
работать на постоянном или переменном
КОНТРОЛЬ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ И ТРИБОДИАГНОСТИКА549Г!гоке, ПРИ переменном токе - на различной
Частоте, а сигнал может быть импульсным
lj0H гармоническим, иметь различный
Спектральный состав и т.п. Вид и харак¬
теристики подводимого к ОК напряже-
]л1Я определяются в каждом случае элек¬
трической схемой замещения этого объек-
5$ и принятыми для оценки параметрами
Исследуемого двухполюсника.» Наиболее часто используют постоян¬
ное напряжение или переменное гармони¬
чески изменяющееся напряжение в широ¬
ком частотном диапазоне (по литератур¬
ным данным от 500 до 106 Гц). Причем в
| ряде случаев частота напряжения изменя¬
йся в процессе контроля, являясь тесто¬
вым воздействием. Использование пере¬
менного напряжения имеет ряд преиму¬
ществ, среди которых исключение элек¬
трической диссоциации смазочного мате-
| риала в зонах трения, возможность при-
| менения бесконтактных токосъемников,
1 упрощение дальнейшего преобразования
j получаемой измерительной информации
! ит.п.j Переменное напряжение, однако, не
всегда обеспечивает решение поставлен¬
ных задач контроля. Так, например, при
j реализации электроконтактных методов
; НК период подводимого к ОК напряже-
) ния, очевидно, должен быть много меньше
'длительности исследуемых микроконтак-
j тов, которая может изменяться в широких
пределах (по подтвержденным экспери¬
ментально данным для подшипников ка¬
чения от 0,4 ... 104 мкс), причем с увеличе¬
нием скорости относительного перемеще¬
ния деталей трибосопряжения длитель¬
ность уменьшается. В то же время с уве¬
личением частоты напряжения емкостное
: сопротивление ОК уменьшается, шунти-
]РУя его активное сопротивление, и изме-
: рение параметров микроконтактирования
; становится проблематичным. Поэтому при
j измерении параметров активного сопро-
j тивления, в частности параметров микро-
I контактирования, рекомендуется исполь-
! 3овать постоянное напряжение.Уровень подводимого к ОК напря¬
жения имеет важное значение. Это обу¬
словлено спецификой трибосопряжения
как объекта контроля. Протекающие в
зонах трения процессы и явления носят
сложный характер, который весьма чувст¬
вителен к внешним воздействиям, в част¬
ности, к электрическим полям. Даже не¬
значительное напряжение может вызвать
дополнительные разрушения ("пробои")
тонких пленок смазочного материала в
зонах трения. Это может, с одной сторо¬
ны, искажать результаты контроля, а с
другой - приводить к трансформации со¬
стояния объекта с возможностью электро¬
химических изменений свойств смазочно¬
го материала и электроэрозионного изна¬
шивания рабочих поверхностей. Поэтому
для снижения влияния контролирующей
аппаратуры на ОК подводимое к нему на¬
пряжение следует уменьшать.Известны даже методы, в которых
контролируемые параметры определяются
при нулевом напряжении на ОК. При реа¬
лизации одного из таких методов контро¬
лируемое трибосопряжение, в частности
подшипник качения, подключают в изме¬
рительную диагональ уравновешенного
моста постоянного тока, выполняющего в
данном случае роль порогового элемента.
При жидкостной смазке трибосопряжение
имеет эквивалентную схему замещения,
включающую наряду с активным сопро¬
тивлением также элемент емкости. При
периодическом микроконтактировании в
ОК в контурах мостовой схемы, содержа¬
щей и реактивные элементы, а также в
усилителе, подключенном к этой цепи,
возникают переходные процессы. Следст¬
вием этих процессов являются соответст¬
вующие импульсы напряжения на выходе
измерительной схемы, свидетельствую¬
щие о микроконтактировании в подшип¬
нике. Эти импульсы подвергаются после¬
дующей обработке для измерения требуе¬
мых контролируемых параметров.Подключение ОК к измерительной
цепи с нулевым напряжением не следует
550Глава 6 МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ4N\IгЕЬ ' Ш■ш± тЧ1НЕНШРис. 6.32. Устройство контроля
трибосопряжений со стабилизацией
опорного напряжения:1 - вал, 2 - ОК, 3,4- токосъемники, 5 - источ¬
ник опорного напряжения, 6 - усилитель,7 - резистор, 8 - унифицирующий преобразо¬
ватель, 9 - вычислительное устройство,10- отсчетное устройствосчитать оптимальным, поскольку контакт¬
ные зоны при работе генерируют ЭДС
(вопрос подробно рассмотрен в главе 4),
которая может существенно исказить ре¬
зультаты измерения параметров активного
сопротивленияТаким образом, существует задача
определения наиболее рационального
уровня подводимого к ОК напряжения,
который, с одной стороны, должен пре¬
вышать генерируемую этим объектом
ЭДС и для повышения чувствительности
метода иметь по возможности большее
значение, а с другой стороны, не должен
вызывать дополнительных разрушений
смазочной пленкиВ практике НК и диагностирования
различных объектов в зависимости от реа¬
лизуемого метода контроля и решаемой
задачи используют напряжения со значе¬
ниями от 10"3 до 5 В При этом наиболее при¬
емлемым диапазоном напряжения для кон¬
троля узлов трения машин и механизмов
(зубчатых зацеплений, подшипников каче¬
ния и скольжения) является 40 100 мВПодводимое к ОК однополярное на¬
пряжение может привести к электриче¬
ской диссоциации и другим эффектам в
смазочном материале В большей степени
это касается встроенных средств контро¬
ля, непрерывно работающих совместно с
объектом на протяжении длительного пе¬
риода времени Для предотвращения ука¬
занных негативных явлений используютметоды, в которых полярность подводи
мого к ОК напряжения в процессе конто '
ля изменяется по какой-либо программе*
например, после каждого оборота вала *
Сопротивление смазанного контакта
может иметь нелинейную вольт-амперную
характеристику, поэтому для получения
однозначных результатов измерения кон¬
тролируемых параметров сопротивления
ОК следует стремиться к стабилизации
значения подводимого к ОК напряжения
Uq независимо от флуктуаций его сопро¬
тивления Сопротивление трибосопряже¬
ния в процессе его работы изменяется в
очень широких пределах (практически на4 6 порядков), поэтому решить постав¬
ленную задачу в полном объеме и во всем
диапазоне изменения сопротивления объ¬
ектов не представляется возможным. В то
же время известен ряд технических реше¬
ний, обеспечивающих с определенными
ограничениями стабилизацию уровня
напряжения с хорошимиметрологическими характеристиками.На рис 6 32 представлен пример вы¬
полненного с учетом высказанного выше
требования устройства контроля трибо^
сопряжений Вал 1 и подшипник 2 ОК
подключаются к измерительной цепи с
помощью токосъемников 3 и 4 Преобра¬
зователь сопротивления ОК в электриче¬
ское напряжение включает источник
опорного напряжения 5, дифференциаль¬
ный усилитель 6 и резистор 7, включен¬
ный между инвертирующим входом и вы¬
ходом усилителя Инвертирующий вход
усилителя 6 непосредственно, а неинвер¬
тирующий - через источник опорного на¬
пряжения 5 посредством токосъемников 3
и 4 подключены к деталям ОКИсточник 5 создает на неинверти¬
рующем входе усилителя 6 постоянный
потенциал Щ Сопротивление OK (R) и
сопротивление резистора 7 (Rj) образуют
делитель напряжения с очень малой на¬
грузкой, так как ток, необходимый для
управления усилителем, пренебрежимо
мал Поэтому токи через R и Ry практиче-
КОНТРОЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ551|одинаковые, а напряжение на инвер-
|^рующем входе усилителя £/и равноI тт _тт R
| ии и+ щ ,;$е иъЫ\ - напряжение на выходе усилите-U63 При изменении R напряжение £/и из¬
меняется согласно полученному выраже-
-цяю, а усилитель реагирует на разность
5иеясДУ напряжением на OK (U0K) и значе-
jgneM Uo, создавая на выходе напряжение
;Йих» ПРИ котором U0к ~ и0 при изменив¬
шемся Rилш =Ufг**R! Следовательно, сигнал на выходе
'усилителя в каждый момент времени оп¬
ределяется значением сопротивления объ-ч екта контроля R при автоматическом под¬
держании неизменного напряжения Uo на
| ОК Измерение заданного контролируемо¬
го параметра осуществляется с помощью
I унифицирующего преобразователя 8 и
вычислительного устройства 9, а резуль-
^ тат контроля отображается отсчетным3 устройством 10* 6.5. КОНТРОЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫКонтроль температуры различных
; ОК - еще одна из задач, эффективно ре-
шаемых методом электрического сопро¬
тивленияПринцип получения информации о- температуре ОК основан на температур-
' ной зависимости электрического сопро¬
тивления материалов Указанным свойст-" вом обладают многое материалы, при этом
наиболее широкое применение в практике
: НК оно нашло при измерении и контроле
: температуры металлов, полупроводников
-5 и электролитов- На рис 6 33 представлены примеры
I типовых зависимостей относительного
= изменения сопротивления (Re/Ro) указан-
х ных материалов от температуры 0 ВвидуРис. 6.33. Виды зависимостей
сопротивления различных материалов oi
температуры:1 - металлы, 2,3 - полупроводники,4 - электролитыразличной природы электрической прово¬
димости зависимости для разных видов
материалов имеют различных характер
Для металлов температурный коэффици¬
ент сопротивления (а0) сравнительно не¬
велик (0,3 0,6 % К"1) и, как правило,
положителен (кривая 1) Для полупровод¬
ников а© существенно (в среднем, на по¬
рядок) больше, чем у металлов, при этом
ТКС может быть как положительным
(кривая 2), так и отрицательным (кри¬
вая 3) Электролиты (кривая 4) харак¬
теризуются более сложной зависимостью
со ступенчатым ее изменением при темпе¬
ратуре начала ионной проводимостиВ качестве примера рассмотрим ме¬
тод контроля разогрева обмоток электри¬
ческого двигателя при его работе В осно¬
ву метода положено явление изменения
электрического сопротивления металла, в
данном случае меди, от температуры При
реализации метода НК осуществляют из¬
мерение активного электрического сопро¬
тивления обмотки двигателя до его пуска
( RGq ) при температуре окружающей сре¬
ды 0О и сразу после остановки (Re), а о
температуре обмотки 0ОК судят по значе¬
ниям указанных сопротивленийЗависимость сопротивления R& мед¬
ного проводника от температуры 0 имеет
вид
552Глава 6. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯЯ© =Я0(1 + авсив),где Rq - сопротивление проводника при
температуре О °С; а0сц - температурныйкоэффициент электрического сопротивле¬
ния (ТКС) меди.Тогда для измеренных значений со¬
противления обмотки ( RQq и ) спра¬
ведливы выражения:^0О =Яо(1 + а0Си<Эо)Чк “^о(1 + а0Си®ок)Искомое значение температуры об¬
мотки двигателя 0ОК при известном
a0cu определяется решением полученнойсистемы уравнений из выражения:Описанный метод является приори¬
тетным для оценки температуры металли¬
ческих ОК при их термообработке, при
обработке заготовок на металлорежущем
оборудовании, а также при решении дру¬
гих задач НК, когда необходима досто¬
верная информация о значении темпера¬
туры не поверхностной, а интегральной по
всему объему ОК.Принцип оценки температуры ОК
путем измерения их активного электриче¬
ского сопротивления заложен в основу
создания целого класса электропарамет-
рических преобразователей температуры -
термопреобразователей сопротивления
(ТС).Термопреобразователем сопротив¬
ления (термометром сопротивления) на¬
зывается реагирующее на температуру
устройство, состоящее из чувствительного
резистора с защитной оболочкой, внут¬
ренних соединительных проводов и внеш¬
них выводов, позволяющих осуществлять
подключение к электрическим измери¬
тельным устройствамДля серийно выпускаемых термоПре
образователей сопротивления устанавли'
вается следующая классификация:1) по материалу чувствительногоэлемента:- ТСП - с чувствительным элементомиз платины;- ТСМ - с чувствительным элемен-
том из меди;- ТСН - с чувствительным элементом
из никеля;2) по способу контакта с измеряемой
средой:- погружаемые;- поверхностные.Номинальные статические характе¬
ристики преобразования серийно выпус¬
каемых ТС соответствуют уравнению:Rq = W3R0,где Rq - сопротивление ТС при темпера¬
туре 0, Ом; WQ - значение соотношениясопротивлений при температуре 0 к со¬
противлению при О °С (справочные дан¬
ные).В зависимости от номинального зна¬
чения сопротивления R0 и номинального
значения отношения сопротивлений Wm
(Wm определяется как отношение сопро¬
тивления ТС при 100 °С (jR 1 оо) к сопротив¬
лению при 0 °С (Rq), условное обозначе¬
ние номинальной статической характери¬
стики преобразования (НСХ) соответству¬
ет указанному в табл. 6.2.Для термопреобразователей сопро¬
тивления различных подгрупп нижний
предел диапазона измеряемых температур
составляет -60 ... -200 °С; верхний предел
диапазона измеряемых температур
-180 ... +1100 °С. При этом платиновые
ТС (ТСП) имеют диапазон измерений
-200 ... 1100 °С, медные (ТСМ) -200 ...
200 °С, а никелевые (ТСН) - 0 ... +200 °С.Наилучшими метрологическими ха¬
рактеристиками обладают платиновые ТС,
однако они и более дорогие. Кроме того,характеристика термопреобразователеисопротивления типа ТСП нелинейна. Медь
КОНТРОЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ5536.2. Основные параметры термопреобразователей сопротивления^ Подгруппа
хермопреобразова-
телей сопротивле¬
нияRq,ОмУсловное обозначение номинальной статической
характеристики преобразованияОтечественноеМеждународноеW, „о = 1,3850fVm =1,3910Wm =1,385011П1ПPtl10юпюпPtlOГСП5050П50ПPt50100100П100ПPtl 00500500П500ПPt500°= 1,4260Wm = 1,428010ЮМCulOтем5050МCu50100100МCulOOfVioo := 1,6170^00 = 1,6170ТСН100юонNil 00по сравнению с платиной, обладает мень¬
шим удельным электрическим сопротив¬
лением (р = 1,7 • 10"8 Омм), при этом в
диапазоне -50 ... +200 °С обладает линей¬
ной характеристикой. Преимущества ни¬
келя перед медью заключаются в том, что
он имеет более высокие значения темпе¬
ратурного коэффициента электрического
сопротивления и удельной электрической
проводимости (р = 12,8 • 10“8 Омм). Не¬
достаток - большое влияние загрязнений
материала на значение а0^.. Кроме того,термопреобразователи сопротивления ти¬
па ТСН описываются такими же уравне¬
ниями, что и ТСП, имея при этом положи¬
тельный знак при нелинейном члене урав¬
нения (у платины нелинейный член урав¬
нения имеет отрицательных знак).Кроме перечисленных основных по¬
казателей для ТС нормируются следую¬
щие характеристики:- рабочий диапазон ТС - интервал
температур, измеряемых конкретным ТС
(может включать часть диапазона изме¬
ряемых температур, а также может быть
дифференцирован по классам допуска
ТС);- номинальное значение температу¬
ры применения ~ наиболее вероятная тем¬
пература эксплуатации ТС, для которой
нормируются показатели надежности;- допускаемое отклонение сопротив¬
ления Rq от номинального значения;- номинальное значение Wwо и наи¬
меньшее допускаемое значение W\qо (нор¬
мируются в зависимости от подгруппы и
класса допуска ТС);- показатель тепловой инерции -
время, необходимое для того, чтобы при
внесении ТС в среду с постоянной темпе¬
ратурой разность температур среды и лю¬
бой точки внесенного в нее ТС стала рав¬
ной 0,37 того значения, которое будет в
554Глава 6 МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯРис. 6.34. Волы-амперные
характеристики термистора с сопротивле¬
нием R(293 К) = 830 кОм:7-0 = 293 К,2-0 = 313 К,3-0 = 393 Кмомент наступления регулярного теплово¬
го режима,- время термического срабатывания -
время, необходимое для реагирования ТС
на ступенчатое изменение температуры с
изменением сопротивления, соответст¬
вующее определенному проценту указан¬
ного ступенчатого измененияОтдельную группу термопреобразо¬
вателей сопротивления составляют полу¬
проводниковые ТС Их характеризуют
большое значение ТКС, в десятки раз пре¬
вышающее ТКС металлов, простота уст¬
ройства, способность работать в различ¬
ных климатических условиях при значи¬
тельных механических нагрузках, ста¬
бильность характеристики во времениВ зависимости от используемого ма¬
териала и вида характеристики (см
рис 6 33) различают полупроводниковые
ТС с отрицательным и положительным
ТКС В первом случае их называют тер¬
мисторами, а во втором - позисторами
Полупроводниковые ТС изготовляют
в виде стержней, трубок, дисков, шайб,
бусинок и тонких пластинок преимущест¬
венно методами порошковой металлургии
Их размеры могут варьироваться в преде¬
лах от 1 10 мкм до 10 20 мм Элек¬
троды на поверхность плоских, цилиндри¬
ческих и пленочных термисторов наносят¬ся вжиганием серебра или других метал
лов У бусинковых термисторов полуцр^.
водниковый материал наносится на тонкие
платиновые проволоки (электроды), с ко¬
торыми он спекается, обеспечивая надеж¬
ный стабильный контактОсновными параметрами полупро¬
водниковых ТС являются номинальное
сопротивление, ТКС, интервал рабочих
температур, максимально допустимая
мощность рассеянияТермисторы изготовляют из смеси
поликристаллических оксидов переход¬
ных металлов, например, MnO, СоО, NiO,
CuO, легированных Ge и Si, SiC; полупро¬
водниковых материалов типа АШВУ, стек¬
лообразных полупроводников и других
материалов По номинальному значению
рабочих температур термисторы разделя¬
ют на низкотемпературные (рассчитанные
на работу при температурах ниже
-100 °С), среднетемпературные (-100 ...
250 °С) и высокотемпературные (свыше
250 °С) Кроме того, существуют терми¬
сторы, работающие при 4,2 К и ниже, а
также при температурах 650 1000 °С.
Наиболее широко используются средне¬
температурные термисторы с ТКС -2,4 ...
-8,4 % К"1 и номинальным сопротивленц¬
ем 1 Ю6ОмРежимы работы термисторов зависит
от того, на каком участке статической
вольт-амперной характеристики (ВАХ)
выбрана рабочая точка В свою очередь
ВАХ зависит как от конструкции, разме¬
ров и основных параметров термистора,
так и от температуры (рис 6 34), тепло¬
проводности окружающей среды, тепло¬
вой связи между термистором и средой, *
Термисторы с рабочей точкой на на¬
чальном линейном участке ВАХ исполь¬
зуются для измерения и контроля темпе¬
ратуры, а также для компенсации темпе¬
ратурных изменений параметров электри¬
ческих цепей и электронных приборов.
Термисторы с рабочей точкой на нисхо¬
дящем участке ВАХ применяются в каче¬
стве пусковых реле, реле времени, изме¬
рителей мощности электромагнитных ИЗ-
КОНТРОЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ555Прений на сверхвысоких частотах, стаби-
[заторов температуры, напряжения Ши-
(окое применение термисторы находят в
дастемах теплового контроля, пожарной
яализации, регулирования уровня жид-
Ь* и сыпучих сред При построении та-
IjHX приборов используется релейный эф-
#|ект в цепи с термистором, при измене¬
нии температуры или условий теплообме¬
на с окружающей средой
I' Известно также о термисторах специ¬
альной конструкции - с косвенным подог-
|ревом В таких термисторах имеется по-
^огревная обмотка, изолированная от по-
|5упроводникового материала резистивно¬
го элемента Если мощность, выделяемая в
шком термисторе, мала, то его тепловой
I режим определяется температурой подо¬
гревателя, т е электрическим током в нем
«Таким образом, имеется возможность из¬
менять состояние термистора, не изменяя
I значение проходящего через него элек¬
трического тока Такие термисторы ис¬
пользуются в качестве переменных рези-1 сторов с электрическим управлением
| Из позисторов наибольший интересI представляют резисторы, изготовленные1 из твердых материалов на основе ВаТЮз
| Известны позисторы с небольшим поло-
|жительным ТКС (0,5 0,7 % 1C1), выпол-
| ненные на основе Si с электронной прово¬димостью Их сопротивление изменяется с
температурой по линейному закону При¬
меняются они в основном для контроля и
температурной стабилизации полупровод¬
никовых электронных компонентовНаиболее распространенными типа¬
ми промышленных полупроводниковых
ТС являются KMT, СТ1 и ТП (основа -
полупроводниковые оксиды кобальта и
марганца), ММТ и СТ2 (оксиды меди и
марганца), СТЗ и МКМТ (оксиды меди,
кобальта и марганца), СТ4 (оксиды нике¬
ля, кобальта, марганца), СТ5 (титанат
бария, легированный Ge), СТ6 (легиро¬
ванные твердые растворы в составе
BaTi03-BaSn03), СТ10 (система BaSr-
T1S1O3, легированная церием)К недостаткам полупроводниковых
ТС относится нестабильность характери¬
стик, особенно в первые (2 5)103 ч экс¬
плуатации, и их неидентичность, что не
удовлетворяет требованиям взаимозаме¬
няемости и, как правило, предполагает
индивидуальную настройку последующих
измерительных цепей под каждый экземп¬
ляр преобразователя В то же время высо¬
кая чувствительность этих преобразовате¬
лей обеспечивает им широкую область
использования в системах НК, автоматики
и управления
Глава 7ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ МЕТОДЫ7.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАМЕТОДА ТЕНЗОМЕТРИИ И
ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙВ соответствии с методом тензомет¬
рии на поверхности деталей устанавлива¬
ют тензометры или их первичные преоб¬
разовательные элементы. По показаниям
тензометров определяют механические
напряжения в сечениях деталей (прила¬
гаемые нагрузки, давления, моменты, де¬
формации и т.п.).Тензометр представляет собой точ¬
ное измерительное средство, позволяющее
регистрировать очень малые деформации.
Например, при определении с погрешно¬
стью 2 % механического напряжения ам =
= 200 МПа в стальной конструкции тре¬
буемая чувствительность тензометра, вы¬
раженная через относительную деформа¬
цию, €л = Дам/£у = 10"5 (Ву - модуль упру¬
гости); чувствительность, выраженная
через линейную деформацию, А/ = 1ел =
= 0,05 мкм при базе 1 = 5 мм.Задачи тензометрии весьма разнооб¬
разны, в связи с чем существует большое
число типов тензометров, различных посвоим характеристикам и назначению
Наиболее универсальным тензометром
обеспечивающим проведение тензометрии
в различных условиях, является электри¬
ческий тензометр с тензорезисторами, с
автоматизацией измерений и их обработ¬
ки. Такие системы при дистанционности и
многоточечности измерений наилучшим
образом обеспечивают выполнение натур¬
ной тензометрии деталей и конструкций,
работающих при переменных режимах в
сложных температурных условиях.Принцип действия большинства со¬
временных установок для контроля де¬
формаций и механической напряженности
деталей основан на том, что изменение
электрического сопротивления твердых
материалов пропорционально изменению
их линейных размеров.В соответствии с этим принципом
для НК деталей и конструкций применяют
специальные резистивные преобразовате¬
ли, называемые тензорезисторами. В
табл. 7.1 представлены основные термины
и определения в области тензометрии, отно¬
сящиеся к тензорезистивным первичным
преобразователям (по ГОСТ 20420-75).7.1. Основные понятия (по ГОСТ 20420-75)ТерминОпределение1. Тензорезистив-
ный эффект (тен-
зоэффект)Свойство проводников и полупроводников изменять электри¬
ческое сопротивление при объемном или линейном деформирова¬
нии2. ТензорезисторИзмерительный преобразователь линейной деформации в из¬
менение активного сопротивления, принцип действия которого
основан на тензорезистивном эффекте2а. Приклеиваемый
тензорезисторТензорезистор, закрепляемый на поверхности объекта с помо¬
щью связующего
IОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДА ТЕНЗОМЕТРИИ557Продолжение табл. 7.1ТерминОпределение2б. Приваривае¬
мый тензорези-
сторТензорезистор с металлической подложкой, закрепляемый на
поверхности объекта с помощью точечной или иной сварки3. Термокомпен¬
сированный
тензорезисторТензорезистор, у которого интервал термокомпенсации совпа¬
дает с рабочей областью температур4. Тензотерморе-
зисторИзмерительный преобразователь, содержащий тензорезистор и
терморезистор, чувствительные элементы которых закреплены на
общей подложке5. Тензорезистор-
ная розеткаИзмерительный преобразователь, содержащий на общей под¬
ложке чувствительные элементы тензорезистора, главные оси
которых ориентированы под определенными углами друг к другу.
В зависимости от числа и формы чувствительных элементов раз¬
личают двух-, трех- и четырехэлементные тензорезисторные ро¬
зетки5а. Тензорезистор-
ная цепочкаСовокупность чувствительных элементов тензорезистора или
тензорезисторных розеток, расположенных на общей подложке в
определенной последовательности.6. Чувствитель¬
ный элемент тен-
зорезистораКонструктивные элементы тензорезисторовЭлемент конструкции тензорезистора, преобразующий линей¬
ную деформацию в изменение активного сопротивления7. Вывод тензо-
резистораЭлемент конструкции тензорезистора, предназначенный для
электрического соединения чувствительного элемента с внешней
измерительной цепью8. Подложка тен-
зорезистораНесущий элемент конструкции, на котором закреплены чувст¬
вительный элемент и выводы тензорезистора9. Связующее
тензорезистораМатериал, используемый для закрепления чувствительного
элемента и выводов тензорезистора на подложке или тензорези¬
стора на объекте10. Защитный эле¬
мент тензорези¬
стораЭлемент конструкции тензорезистора, закрепленный на под¬
ложке поверх чувствительного элемента и предназначенный для
его защиты от повреждений11. Главная ось
тензорезистораОсь чувствительного элемента тензорезистора, направление ко¬
торой совпадает с направлением его максимальной чувствитель¬
ности11а. Поперечная
ось тензорезисто¬
раОсь чувствительного элемента тензорезистора, расположенная
под углом 90° к главной оси
558Глава 7. ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ МЕТОДЫПродолжение табл 7/ТерминОпределение12. База тензоре-
зистораДлина активной части чувствительного элемента, определяе
мая как размер между внутренними краями поперечных участков
чувствительного элемента в направлении главной оси (для тензо-
резисторов с чувствительным элементом круговой формы данный
термин не применяется)Осно{13. Начальное соп¬
ротивление тензо-
резисторазные параметры и характеристики тензорезисторовСопротивление установленного тензорезистора при начальных
значениях влияющих величин* и деформации14. Выходной сиг¬
нал тензорезисто-
раОтношение приращения сопротивления тензорезистора, вы¬
званного воздействием деформации или влияющей величины, к
его начальному сопротивлению15. Функция пре¬
образования тен-
зорезистораЗависимость выходного сигнала тензорезистора от деформации
при фиксированных значениях влияющих величин16. Чувствитель¬
ность тензорезис-
тораОтношение изменения выходного сигнала тензорезистора к
вызвавшему его изменению деформации, направленной вдоль
главной оси тензорезистора, при фиксированных значениях
влияющих величин17. ПоперечнаячувствительностьтензорезистораОтношение изменения выходного сигнала тензорезистора, ус¬
тановленного перпендикулярно к одноосной деформации, к изме¬
нению выходного сигнала такого же тензорезистора, установлен¬
ного параллельно этой деформации, выраженное в процентах18. Температур¬
ная характеристи¬
ка сопротивлениятензорезистораЗависимость выходного сигнала тензорезистора, установленно¬
го на свободно расширяющийся образец с заданным коэффициен¬
том линейного расширения, от температуры19. Интервал тер¬
мокомпенсации
тензорезистораИнтервал в рабочей области температур, в пределах которого
значения температурной характеристики сопротивления тензоре¬
зистора не выходят за нормированные пределы20. Дрейф выход¬
ного сигнала тен¬
зорезистораИзменение выходного сигнала тензорезистора во времени при
фиксированных значениях влияющих величин и отсутствии де¬
формации тензорезистора21. Усталостная
характеристика
тензорезистораЗависимость числа симметричных циклов деформирования,
при котором происходит отказ установленного тензорезистора, от
амплитуды деформаций
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДА ТЕНЗОМЕТРИИ559Продолжение табл. 7.1ТерминОпределение22. Ползучесть
тензорезистораИзменение выходного сигнала тензорезистора во времени при
фиксированном значении деформации, вызвавшей этот сигнал, и
при фиксированных значениях влияющих величин с учетом по¬
правки на дрейф23. Механический
гистерезис тензо¬
резистораРазличие между значениями выходного сигнала тензорезисто¬
ра при возрастании и уменьшении деформации24. Тип тензоре¬
зистораТензорезисторы, обладающие номинально одинаковым ком¬
плексом конструкционно-технологических и метрологических
свойств и характеристик25. Типоразмер
тензорезистораТензорезисторы одного типа, имеющие одинаковую номиналь¬
ную базу и одинаковое номинальное сопротивление26. Партия тензо¬
резисторовСовокупность тензорезисторов одного типоразмера, изготов¬
ленных одним непрерывным технологическим запуском из тензо-
резистивного материала одной плавки, подвергнутого одинаковой
механической и термической обработке27. Группа тензо¬
резисторовСовокупность тензорезисторов одной партии, разность между
индивидуальными значениями одной или нескольких заданных
характеристик которых не превышает нормированной величины28. Тензорезистив-
ный материалМатериал, обладающий комплексом свойств, необходимых для
изготовления чувствительного элемента тензорезистора, напри¬
мер, тензорезистивнаяпроволока, тензорезистивная фольга и др.29. Предельная
деформация тен¬
зорезистораНаибольшая деформация, при воздействии которой значения
функции преобразования тензорезистора находятся в нормиро¬
ванных пределах* Термин "Влияющая величина" - по ГОСТ 16263-70.7.2. ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭФФЕКТПринцип действия тензорезисторов
основан на явлении тензоэффекта, за¬
ключающегося в изменении сопротивле¬
ния проводников и полупроводников при
их механической деформации. Значение
сопротивления резистора определяется
выражением:а его относительное изменение при де¬
формации:AR/R = Др/р + А/// + AS/S,где р и Ар - удельное сопротивление и его
абсолютное изменение; / и Д/ - длина и
абсолютное изменение длины; S и AS -
площадь поперечного сечения и абсолют¬
ное изменение площади.В твердом теле в зоне упругих де¬
формаций величины относительных про¬
дольных 8Л и поперечных в'л деформаций
связаны через коэффициент Пуассона цп:е'л =-цп£л.
560Глава 7 ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ МЕТОДЫ7.2. Коэффициенты тензочувствительности материаловМатериалСостав, %Коэффициент тензочувствительностиМанганинСи 84, Мп 12, Ni 40,5КонстантанСи 60, № 402,02,1НихромNi 80, Сг 20
№64, Fe 25, Сг 112,12,3НикельNi36, Сг 82,512,1ИзоэластикМо 0,5, (Mn+Si+Cu+V)3,5,
Fe 522,83,5С учетом данной зависимости выра¬
жение для относительного изменения
электрического сопротивления можно
представить в видеAR/R = Ар/р + (l + 2цп )елДля жидких и текучих материалов
(ртуть, электролиты в эластичной изоля¬
ционной оболочке, пластически деформи¬
руемые металлы), в которых напряжения
отсутствуют, справедливы следующие
соотношения Ар/р = 0, \хп =0,5, так как
объем материала при деформации остает¬
ся постоянным, и AR/R = 2ел В металлах
удельное сопротивление зависит от на¬
пряжения растяжения или сжатия и опи¬
сывается следующим образомЕэ/J = ро (1 + я„см1 + я12ом2 + я13ам3) =
= Ро[1 + ^цС?м1 +л12(ам2 +<тмз)]*где Еэ и J - напряженность поля и плот¬
ность тока в продольном направлении,
аМ1 - механические напряжения в трех вза¬
имно перпендикулярных направлениях
(aMi - в продольном направлении), 7Гц,
Ж\2 = лг1з - тензорезистивные коэффициен¬
ты, соответственно продольный и попе¬
речныеДля константана, например, из кото¬
рого чаще всего изготовляют металличе¬
ские тензорезисторы, 7Гц = 1,5 10~12 Па'1,
щ 2=2,25 10-12 Па-1При линейно напряженном состоянииСГм1 — СГм, ^м2 ^мЗ — 0? = Яц(Ум;Дй/Д = яп<хм+(1 + 2цп)елС учетом того, что в зоне упругих
деформаций ам = Еу 8Л, получимДЯ/Л = [л, хЕу + (1 + 2цп)]елВеличина к = (AR/R)/zn называется
коэффициентом тензочувствительно¬
сти. Значения коэффициента тензочувст¬
вительности для некоторых материалов
приведены в табл 7 2Механическое напряжение в мате¬
риале пропорционально относительному
изменению размеров вл, модулю упруго¬
сти Еу и связано коэффициентом тензо¬
чувствительности с относительным изме¬
нением электрического сопротивления:AR Еуам = м R кчто позволяет осуществлять измерение и
контроль этой величины электрическим
методом7.3. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
ВЫХОДНОГО СИГНАЛА
ТЕНЗОРЕЗИСТОРАНаиболее распространенной схемой
включения тензорезистивного преобразо¬
вателя является мостовая схема (рис. 7.1).
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ 561^Цри включении тензорезистора Ru ком¬
пенсационного сопротивления R2 и мосто-
рых сопротивлений R справедлива сле-
f дующая зависимостьI ^1=^2| Гальванометр G с сопротивлением Rr
| обладает чувствительностью порядка
|5 10"9 Ток, проходящий через него при
[изменении сопротивления тензорезистора,I равенARl/Rl2(2RT+Rl+R)то| где С/пит - напряжение питания■ Поскольку AR/ R = гпк,I Спр = 2(2RT +RX+R)I UnilT = const и6Л — ! кМост балансируется при отсутствии
деформации ОК Под действием нагрузки
один из тензорезисторов деформируется,
равновесие моста нарушается, и в измери¬
тельной диагонали моста возникает ток,
пропорциональный относительному изме¬
нению линейного размера Это использу¬
ется для градуировки шкалы измеритель-
| ного прибора в единицах измеряемой ве¬
личиныПри использовании нулевого метода
измерения (сбалансированного моста)
уравновешивание производится прецизи¬
онным потенциометром Разность показа¬
ний прецизионного потенциометра до и
после уравновешивания моста определяет
искомое значение деформацииI 7.4. КЛАССИФИКАЦИЯ И
! ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
| ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ; Номенклатура серийно выпускаемых
тензопреобразователей очень разнообраз¬
на В частности, ГОСТ 21616-91 "Тензо-
резисторы Общие технические условия"
Устанавливает следующую классифика-* Цию тензорезисторовI 1) по материалу чувствительного
% элемента:Рис. 7.1. Мостовая схема
включения тензорезистора:R\ - рабочий тензорезистор, ^-компенсаци¬
онный тензорезистор, R- сопротивления плеч
моста, G - гальванометр- металлические (проводниковые),
которые в зависимости от вида (проволо¬
ка, фольга) материала чувствительного
элемента подразделяют на проволочные и
фольговые,- полупроводниковые,2) по количеству чувствительных
элементов, их форме и расположению
на подложке:- одиночные тензорезисторы,- тензорезисторные розетки,- мембранные тензорезисторные ро¬
зетки,- тензорезисторные цепочки,3) по наличию или отсутствию
подложки и материалу подложки:- на бумажной подложке,- на пленочной (клеевой, лаковой)
подложке,- на стеклотканевой подложке,- на металлической подложке,- со свободным чувствительным эле¬
ментом (без подложки),4) по способу установки на поверх¬
ность объекта (рис 7 2)- приклеиваемые,- привариваемые,- устанавливаемые методом газоплаз¬
менного или плазменного напыления жа¬
ростойких окислов,5) по диапазону измеряемых дефор¬
маций:- для измерения упругих деформаций
(предельная измеряемая деформация в
пределах диапазона ±3 ООО млн"1),- для измерения упругопластических
деформаций (предельная измеряемая дефор-
562Глава 7. ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ МЕТОДЫРис. 7.2. Разновидности тензорезисторов:а - приклеиваемый фольговый тензорезистор:1 - чувствительный материал; 2 - подложка;3 - связующее; 4 - ОК; б - привариваемый
проволочный тензорезистор: 1-9-порядок
точечной сварки при креплении тензорезистора
кОКмация за пределами диапазона ±3 ООО млн"1);6) по наличию или отсутствию
термокомпенсации:- частично термокомпенсированные;- нетермокомпенсированные.Согласно ГОСТ 21616-91 основнымихарактеристиками и параметрами
тензорезисторов являются:- номинальная база, мм;- номинальное электрическое сопро¬
тивление, Ом;- основные габаритные размеры
(длина без выводов, ширина и толщина - с
предельными отклонениями), мм;- максимальный рабочий ток пита¬
ния, мА;- диапазон измеряемых деформаций,
млн'1, причем в качестве единицы дефор¬
мации вместо миллионной доли (млн-1)
допускается применять микрометр на метр
(мкм/м);- рабочая область значений темпера¬
туры, °С;- интервал термокомпенсации для
частично термокомпенсированных тензо¬
резисторов, °С;- масса, г.Значения номинальной базы серийно
выпускаемых тензорезисторов соответст¬
вуют ряду: 0,3; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 5,0; 10,0;
15,0; 20,0; 50,0; 100,0; 200,0 мм. Выпуска¬
ются также тензорезисторы с номиналь¬
ными базами менее 0,3 мм и более 200 м;
в этом случае ГОСТ 21616-91 значения
номинальных баз не регламентирует.Отклонения от номинальной базы
находятся в пределах, %:± 20 - для баз до 5 мм включительно-±10- для баз более 5 мм.Значения номинального сопротивле¬
ния серийно выпускаемых тензорезисто¬
ров соответствуют ряду: 50; 100; 200; 400
800 Ом или ряду: 60; 120; 350; 700; 1000 Ом
Выпускаются также тензорезисторы с но¬
минальными сопротивлениями менее 50
(60) Ом и более 800 (1000) Ом; в этом слу¬
чае ГОСТ 21616-91 значения номиналь¬
ных сопротивлений не регламентирует.В интервале термокомпенсации
среднее значение температурной характе¬
ристики сопротивления, мкОм/Ом, не вы¬
ходит за пределы ±100A*e, где КЕ -
среднее значение чувствительности тензо¬
резистора.Кроме перечисленных основных па¬
раметров для тензорезисторов могут быть
нормированы следующие метрологиче¬
ские характеристики:- сопротивление тензорезистора при
нормальных условиях;- чувствительность при нормальных
условиях;- нелинейность функции преобразо¬
вания при нормальных условиях;- относительная поперечная чувстви¬
тельность при нормальных условиях;- температурный коэффициент чув¬
ствительности;- функция влияния температуры на
чувствительность;- температурная характеристика со¬
противления (ТХС);- максимальное значение ТХС в ра¬
бочей области значений температуры;- индивидуальная ТХС;- воспроизводимость ТХС;- ползучесть при нормальных усло¬
виях;- воспроизводимость начального со¬
противления после изотермической вы¬
держки при максимальной температуре;- дрейф выходного сигнала при мак¬
симальной температуре;- сопротивление изоляции в рабочей
области значений температуры;- время реакции на ступенчатый
входной сигнал деформации.
ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ5637.5. ХАРАКТЕРИСТИКА
ПРОМЫШЛЕННЫХ
ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВТиповыми примерами широко ис¬
пользуемых тензорезисторов (выпускае¬
мых отечественной промышленностью)
являются фольговые приклеиваемые тен-
зорезисторы типа КФ4 и КФ5 (табл. 7.3), а
также проволочный привариваемый тен-
зорезистор типа НМТ-450 (табл. 7.4).Тензорезисторы типа КФ4 и КФ5 - с
чувствительным элементом из константа-
новой фольги, приклеиваемые; КФ4 - на
полиимидной пленке; КФ5 - на термо¬
стойкой бумаге, пропитанной клеем
ВС-350. Тензорезисторы КФ5 применяют
и в качестве чувствительного элемента
силоизмерительных датчиков.В зависимости от конфигурации чув¬
ствительных элементов и их числа на од¬
ной подложке выпускаются тензорезисто¬
ры КФ4 и КФ5 разных исполнений: пря¬
моугольные, розеточные, мембранные, а
также цепочки тензорезисторов. Форма
чувствительных элементов таких тензоре¬
зисторов может быть разнообразной в за¬
висимости от их назначения (области ис¬
пользования). Например, для тензорези¬
сторов типа КФ4 и КФ5 предусмотрены
следующие варианты формы чувствитель¬
ного элемента: одиночный тензорезистор
формы П1; равноугольная розетка формы
Р5; мост тензорезисторов формы М для
установки на мембрану; розетка тензоре¬
зисторов формы РЗ для определения оста¬
точных напряжении; цепочка одинаковых
тензорезисторов формы Ц1; цепочка рав¬
ноугольных розеток формы Ц4.7.3. Метрологические характеристики тензорезисторов КФ4 и КФ5ПараметрГруппа показателейАБВПредельное отклонение сопротивления
от номинального в партии, %±0,2Максимальная измеряемая деформация,
млн"1±3000Чувствительность2ДСреднее квадратическое отклонение чув¬
ствительности0,020,030,04Часовая ползучесть тензорезисторов при
нормальной температуре, %:КФ4КФ50,50,31,00,5—н" o'Часовая ползучесть тензорезисторов при
максимальной рабочей температуре, %:
КФ4
КФ52,01,54,02,56,03,5Максимальное значение ТХС в интерва¬
ле термокомпенсации, млн"1±220Сила тока питания, мА30
564Глава 7. ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ МЕТОДЫ7.4. Метрологические характеристики высокотемпературных
тензорезисторов типа НМТ-450ПараметрЗначениеСопротивление при нормальной температуре, Ом100Допускаемое отклонение AR сопротивления в партии, Ом2База, мм7Допустимое отклонение базы, мм1Габаритные размеры подложки, мм20x9Чувствительность1,9...2,0Допустимое значение среднего квадратического отклонения
чувствительности в партии0,03Допустимое значение ползучести тензорезистора при
£л= 1000 млн-1 и 0 = 25 °С, %0,2Максимальное значение ТХС при 450 °С при установке тензоре¬
зистора на деталь из стали 12Х18Н9Т, млн-17 000Допустимое значение среднего квадратического отклонения
ТХС в партии при 450 °С, млн-1200Допустимое значение часового дрейфа выходного сигнала тен¬
зорезистора при 450 °С, млн-1200Минимальное значение сопротивления изоляции тензорезистора
при 450 °С, МОм3Диапазон измерения, млн-1±2 000Сила тока питания, мА30Тензорезисторы КФ4 и КФ5 термо¬
компенсированы в интервале температур
от 10 до 120 °С для материалов с темпера¬
турным коэффициентом линейного расши¬
рения (ТКЛР) 12 млн_,/°С и 23 млн_,/°С. В
этом интервале значения ТХС тензорези¬
сторов не выходят за нормированные пре¬
делы 220 млн'1. Тензорезисторы КФ4 и
КФ5 выпускают с номинальным значени¬
ем сопротивления 100, 200 и 400 Ом и
базой от 0,5 до 20 мм. Температурный
диапазон работы определяется типом
применяемого клея. Тензорезисторы по¬
ставляют в комплекте с клеем циакринмарки ЭО или ВС-350. Циакрин рекомен¬
дуется применять в диапазоне температур
от -50 до +50 °С, клей ВС-350 в диапазоне
температур -60 ... +200 °С.Фольговые преобразователи характе¬
ризуются меньшими габаритными разме¬
рами, толщина чувствительного элемента
(фольги) составляет 4 ... 12 мкм, при этом
известны тензорезисторы с базой до
0,8 мм. Тензорезисторы НМТ-450 - при¬
вариваемые, предназначены преимущест¬
венно для высокотемпературной тензо¬
метрии, позволяют осуществлять измере¬
ния и контроль деформаций деталей и
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ565конструкций при статических и динамиче¬
ских нагрузках в диапазоне температур
20 ... 450 °С. Они представляют собой
проволочную решетку с параллельным
расположением петель, закрепленную
термостойким связующим на подложке.
Выводные проводники приварены к ре¬
шетке контактной сваркой. Материал ре¬
шетки - никель-молибденовый сплав
НМ23ХЮ-ВИ. Материал выводных про¬
водников - нихром Х20Н80. Материал
подложки - коррозионно-стойкая сталь
12X18Н9Т. Монтаж на ОК тензорезисто-
ров такого типа осуществляется методом
точечной контактной сварки.Для проволочных тензорезисторов
применяется проволока диаметром 0,02 ...
0,05 мм, которая зигзагообразно уклады¬
вается на бумажную или лаковую пленку.
К концам проволоки пайкой или сваркой
присоединяются выводные проводники,
обычно медные. Сверху преобразователь
покрывается слоем лака.7.6. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВЧувствительность тензорезисто¬
ра. Согласно результатам производствен¬
ных испытаний чувствительность тензоре¬
зисторов составляет примерно 1 ... 2 %.
Чувствительность проволоки, известной
под названием Minalpha (химический со¬
став: 85 % Си; 12 % Мп; 3 % Ni), иллюст¬
рируется рис. 7.3 (диаметр проволоки -
0,0254 мм; длина - 76 мм; термообработ¬
ка- отжиг; конструктивное исполнение
тензорезистора - одна нить проволоки).Из графика видно, что чувствитель¬
ность проволочного материала можно счи¬
тать постоянной только в пределах
небольших удлинений. Это означает, что
при больших нагрузках необходимо учи¬
тывать существенное изменение чувстви¬
тельности тензорезисторов, а вместе с
этим и уменьшение их точности. Для сни¬
жения влияния удлинения тензорезистора
на его чувствительность при удлинении до2 % проволоку перед изготовлением тен¬
зорезистора подвергают наклепу.Рис. 7.3. График чувствительности
проволочного тензопреобразователяТензорезистор, состоящий из не¬
скольких нитей, чувствителен не только к
продольной, но и к поперечной деформа¬
ции благодаря своей форме. В то же вре¬
мя, коэффициент чувствительности регла¬
ментируется только для продольной де¬
формации (растяжение и сжатие). Поэто¬
му при проведении точных измерений
следует учитывать также чувствитель¬
ность к поперечной дефермации, которая
связана с геометрической формой тензоре¬
зистора.Основные свойства тензорезистора -
большая чувствительность и малый
температурный коэффициент - не мо¬
гут быть получены одновременно. Поэто¬
му при статических испытаниях применя¬
ют никелевую проволоку с хорошим тем¬
пературным коэффициентом и удовлетво¬
рительной чувствительностью, при дина¬
мических - лучше использовать хромони-
кель-молибденовую проволоку, у которой
сравнительно большая чувствительность,
а температурный коэффициент в этом
случае не является основным показателем.Существенно повысить чувствитель¬
ность при измерении напряжений и де¬
формаций можно, применяя дифференци¬
альный метод, который предполагает ис¬
пользование дополнительного тензорези¬
стора, приращение сопротивления которо¬
го имеет противоположный знак и обеспе¬
чивает увеличение выходного сигнала
измерительной цепи. Для этого тензорези-
сторы включаются в смежные плечи изме¬
рительного моста (см. п. 3.3), а на ОК кре¬
566Глава 7. ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ МЕТОДЫпятся таким образом, что один из них под¬
вергается растяжению, а другой - сжатию.Крепление тензорезистора на ОК.
Тензорезисторы к ОК должны быть при¬
креплены надежно. Применяемые склеи¬
вающие материалы можно разделить на
две группы: клей типа нитроцеллулоида и
фенольные смолы.При использовании первого клея дат¬
чики приклеиваются в холодном состоя¬
нии за счет испарения растворителя. Для
фенольной смолы нужна более высокая
температура.Тензорезистор следует приклеивать
быстро, по возможности без надавливания
и не смещать с места склейки. Желатель¬
но, чтобы клей быстро высыхал. Однако
температура (подогрев) снижает тензочув-
ствительность. Уже при температуре по¬
рядка 120 °С она уменьшается примерно
на 10 %.На поверхности, имеющие гальвани¬
ческое или какое-либо другое покрытие,
клеить тензорезистор нельзя. Предвари¬
тельно слой необходимо удалить. В случае
контроля деталей с грубой литой поверх¬
ностью необходимо сначала их тщательно
очистить. Окалину, коррозионный слой
необходимо удалить, а поверхность зачис¬
тить мелкой шлифовальной бумагой. Ос¬
татки масла следует удалить ватой, смо¬
ченной в ацетоне.Поверхность тензорезистора также
необходимо промыть спиртом или ацето¬
ном. Поверхность ОК следует густо сма¬
зать клеем, положить тензорезистор на
выбранное место и выдавить из-под него
лишний клей (тем самым удаляют и пу¬
зырьки воздуха). Сильно надавливать не
рекомендуется.Нитроцеллулоидные клеи при ком¬
натной температуре высыхают в течение
24 ... 48 ч. Для уменьшения этого времени
после двухчасовой сушки при комнатной
температуре необходимо в течение 5 ч
сушить с применением теплоизлучателя.
Температура должна быть не выше 80 °С.Кроме клеевого соединения применя¬
ется также соединение тензорезисторовметодом точечной сварки. Такие тензоре¬
зисторы имеют не бумажную, а металли¬
ческую подложку. Для обеспечения нена¬
пряженного состояния тензорезистора при
его закреплении на объекте контакты то¬
чечной сварки выполняют в определенной
последовательности (рис. 7.2, б).Кроме рассмотренных наиболее про¬
стых и широко распространенных спосо¬
бов закрепления тензорезисторов на ОК
используется также метод газоплазменно¬
го или плазменного напыления жаростой¬
ких окислов.Влажность и тепловое воздейст¬
вие. Под воздействием влаги нарушается
изоляция между тензорезистором и по¬
верхностью детали, кроме того, возможна
коррозия, в результате которой электриче¬
ское сопротивление значительно увеличи¬
вается. При работе в течение длительного
времени во влажной среде наступает
дрейф нуля.Влажные тензорезисторы можно вы¬
сушить, а применяя поглотители влаги,
можно предупредить дальнейшее их ув¬
лажнение, однако лучше позаботиться о
хорошей их защите. В качестве защитных
материалов применяют, например, водо¬
непроницаемую клейкую ленту, парафин
и т.д.Защита от влаги особенно важна при
использовании нитроцеллюлозы в качест¬
ве склеивающего материала. Наилучший
способ защиты тензорезисторов - приме¬
нение резиновых или пластмассовых фут¬
ляров, особенно если датчики в течение
длительного времени находятся на возду¬
хе. Их крепят к изделию таким образом,
чтобы датчик был полностью закрыт.Клеи на нитроцеллюлозной основе
при температурах, превышающих комнат¬
ную, становятся вязкими, и датчик может
легко сместиться. Искусственные смолы
можно применять и при повышенных
температурах, поскольку в этом случае
они твердеют.Чувствительность датчиков в значи¬
тельной степени изменяется под влиянием
температуры (рис. 7.4). У тензорезисторов,
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ567приклеенных клеем на основе нитроцел¬
люлозы (кривая 1 на рис. 7.4), уже при
до °С быстро падает тензочувствитель-
йость. Поэтому при статических нагрузках
эху температуру следует считать верхним
допустимым пределом, а при повторных
нагрузках она не должна превышать 40 °С,
поскольку возможен сдвиг датчика.Для клея на основе смолы верхний
температурный предел может достигать
200 °С (кривая 2 на рис. 7.4). В этом слу¬
чае с целью полимеризации клея тензоре¬
зистор выдерживают под прессом в тече¬
ние 1 ч при температуре 60 °С, 2 ч при
80 °С и 2 ч при 120 °С. Для повышения
качества клеевого соединения осуществ¬
ляют плавное повышение температуры
при нагреве.Другим аспектом температурного
влияния является снижение точности из¬
мерений. Изменение сопротивления тен¬
зорезистора под воздействием измеряемой
величины очень мало по сравнению с его
номинальным сопротивлением, а также, в
ряде случаев, по сравнению с его измене¬
ниями под действием влияющих факто¬
ров, в том числе температуры. Поэтому
при построении электрических тензомет¬
ров тензорезисторы включают в измери¬
тельные цепи, позволяющие обеспечить
требуемую степень инвариантности к воз¬
действию температуры.Обеспечение инвариантности тен-
юметрических систем к температуре.
Поскольку при статических испытаниях
измерения обычно проводят в течение
длительного времени, трудно поддержать
постоянную температуру в зоне измере¬
ния.Распространенным способом исклю¬
чения влияния температуры на результат
измерения является замена одного из со¬
противлений в мостовой схеме (рис. 7.1)
компенсационным тензорезистором, иден¬
тичным рабочему, который также присое¬
диняется к ОК (обеспечивается постоянст¬
во температуры рабочего и компенсаци¬
онного датчиков).О 40 80 120 160 200
0,°СРис. 7.4. Влияние температуры на
чувствительность тензопреобразователяУсловия полного исключения влия¬
ния температуры:- материал и размеры рабочего и
компенсационного тензорезисторов долж¬
ны быть одинаковы;- оба датчика должны иметь одина¬
ковую тензочувствительность;- температурная чувствительность со¬
противлений R] и R2 должна быть одина¬
ковой, и они должны находиться в одина¬
ковых температурных условиях.Однако на точность измерения кроме
температурных изменений сопротивлений
тензорезисторов в значительной степени
оказывает влияние температурная неста¬
бильность электрического сопротивления
соединительных проводов. Особенно это
может проявляться в многоточечных сис¬
темах, где первичные преобразователи
удалены от измерительной цепи на значи¬
тельные расстояния.В табл. 7.5 приведены типовые схемы
включения тензорезисторов, обеспечи¬
вающие инвариантность тензометриче-
ских систем к температуре.Стабилизация сопротивлений. Не¬
стабильность в работе тензорезисторов
может вызвать два вида погрешностей -
дрейф нуля и возникновение гистерезиса,
появляющегося во время действия нагруз¬
ки.
568Глава 7. ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ МЕТОДЫ7.5. Обеспечение инвариантности тензометрических систем к температуреСхемаОписание к схемеЯу ЯНаиболее распространенная трехпроводная
схема (а) включения рабочего и компенса¬
ционного терморезисторов и ее эквива¬
лентная схема (б). Компенсация аддитив¬
ной составляющей погрешности при сни¬
жении чувствительности. Присутствует
мультипликативная составляющая по¬
грешностиЧетырехпроводная схема (а) включения
рабочего и компенсационного терморези¬
сторов и ее эквивалентная схема (б). Муль¬
типликативная составляющая погрешности
больше, чем в трехпроводной схеме. Ис¬
ключается сопротивление соединительной
линии из измерительной диагонали моста/?i R2Пятипроводная схема (а) включения рабо¬
чего и компенсационного терморезисторов
и ее эквивалентная схема (б). Неполная
компенсация мультипликативной состав¬
ляющей погрешности (снижение напряже¬
ния питания моста)
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ569Продолжение табл. 7.5СхемаОписание к схемеЛ|а)б)Трехпроводная схема включения рабоче¬
го терморезистора при постоянном рези¬
сторе в смежном плече (а) и ее эквива¬
лентная схема (б). Компенсационный
терморезистор отсутствует, при обработ¬
ке результатов измерения вносится по¬
правка на температурную характеристи¬
ку рабочего тензорезистораОбозначения: 7?! - рабочий тензорезистор; R2 - компенсационный терморезистор; Ri - со¬
противление соединительных линий; G - гальванометр.На стабильность тензорезисторов
обычно влияют следующие факторы: ка¬
чество крепления; температура; влаж¬
ность; величина измеряемой деформации;
качество клея; стабильность во времени
свойств материала ОК. Качество крепле¬
ния должно быть предварительно прове¬
рено с тем, чтобы исключить возможность
смещения тензорезистора.При применении клея на нитроцеллу-
лоидной основе, при комнатной темпера¬
туре, дрейф нуля не более 5 • 10-6 от вели¬
чины деформации. В случае использова¬
ния клея на основе фенольной смолы
дрейф нуля не проявляется в течение трех
месяцев.При первом измерении дрейф нуля
может быть порядка 2,5 ... 3,5 • 1(Г5 . В
связи с этим необходима коррекция нуле¬
вой точки, после которой максимальное
отклонение нуля составляет 0,5 ... 1 • 10~5.Настройку приборов при работе в ус¬
ловиях переменных нагрузок необходимо
производить таким образом, чтобы поя¬
вившийся гистерезис уменьшился до ве¬
личины, которой можно пренебречь.Градуировка тензорезисторов. Не¬
смотря на то, что тензорезисторы имеют
нормированные метрологические характе¬
ристики, на практике возникают задачи в
определении индивидуальных (реальных)
характеристик. Это объясняется тем, что
эксплуатационные условия тензометриро-
вания ОК могут существенно отличаться
от условий определения метрологических
характеристик, предусмотренных в норма¬
тивных документах. В частности, допол¬
нительным исследованиям подвергают
такие характеристики, как ползучесть,
дрейф, чувствительность при нормальных
условиях, ТХС.Для проверки метрологических ха¬
рактеристик тензорезисторов, для их гра¬
дуировки предусмотрены специальные
установки. Например, установка СТТ-40,
снабженная градуировочной балкой по¬
стоянного сечения, применяется для гра¬
дуировки привариваемых тензорезисто¬
ров. Для оценки функции влияния темпе¬
ратуры на чувствительность, а также пол¬
зучести тензорезисторов при повышенных
температурах применяется установка
УТ-66. Установка типа ТВЦ-1 использует-
570Глава 7. ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ МЕТОДЫся для определения ТХС и дрейфа тензо¬
резисторов.7.7. ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ РАЗНЫХ
ВИДАХ НАГРУЖЕНИЯВ табл. 7.6 приведены примеры рас¬
положения и включения тензорезисторов
для измерения перемещений, напряжений
и усилий в сечениях деталей и конструк¬
ций. Анализ таблицы показывает, что тен-
зорезистивный метод эффективен для из¬
мерения и контроля объектов, подвергае¬
мых сжатию (растяжению), изгибу, сдви¬
говым деформациям, кручению.Применение различных упругих эле¬
ментов с закрепленными на них тензоре-
зисторами позволяет создавать тензомет¬
ры с расширенными функциональными
возможностями. В качестве примера мож¬
но привести деформометр, представлен¬
ный на рис. 7.5. С помощью тонкого коль¬
ца с радиусом г можно сравнительно точ¬
но измерить деформации или нагрузки.На кольцо крепят тензорезисторы,
которые градуируют на машине для
испытания на сжатие или растяжение.
Если кольцо нагружено силой F, то можно
записать следующие зависимости:1. Изгибающий момент1 2
М — — Fr(cos ф —),2 квдоль горизонтальной осиЛ/г = -Fr(l --) = 0,182Fr,2 квдоль вертикальной осиМъ — — Fr (ф - —) = 0,31 SFr.2 712. Деформация вдоль вертикальнойосигде 7И - момент инерции поперечного се¬
чения кольца.Деформация вдоль горизонтальнойосиFr3А/г =0,137—-—.у иДля кольца с наклеенными тензоре-
зисторами экспериментально получают
градуировочную характеристику "нагруз¬
ка-деформация" и используют его в каче¬
стве динамометра.Многоточечные измерения. На
практике часто возникает необходимость
измерения действующих напряжений од¬
новременно в нескольких точках ОК (ма¬
шины, детали или конструкции), находя¬
щегося в нагруженном состоянии. В этом
случае в контролируемых точках ОК на¬
клеивают тензорезисторы (поз. 1-9,
рис. 7.6), которые подсоединяются к од¬
ному и тому же измерительному устрой¬
ству (мосту).Рис. 7.6. Многоточечные измерения:1-9- тензорезисторы
ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ РАЗНЫХ ВИДАХ НАГРУЖЕНИЯ5717.6. Расположение и включение тензорезисторов
при различных видах нагруженияСхема включенияИзмеряемая величинаRx RлНормальное напряжение аш в направле¬
нии х:R2 = /unRu аш=-’ ЛХ у )Касательное напряжение тху в направле¬
ниях Ojc и 0у:Ev ,*ху2(1+и„)£л45 _8л135)(для схемы а);^ 2(1 + Цп)(для схемы б).[^л45 (8лх ^лу)]' !>.(£) 1>По схеме а находят также разность де¬
формаций в направлении без тензо¬
резисторов 3- VГлавное напряжение ом при его извест¬
ном направлении. Датчик, поставленныйпод углом ф = arctg^/jj^" к главному на¬
правлению, дает значение главного на¬
пряжения в этом направленииСумма главных деформаций (и нормаль¬
ных напряжений) по двум взаимно пер¬
пендикулярным направлениям на пло¬
щади, занимаемой тензочувствительной
решеткой:е л* + £л>. = + °м, )Датчик с упругим элементом, увеличи¬
вающим деформацию (для измерения
малых перемещений от 2 до 100 мкм); на
осциллограмме увеличение - в 1000 ...
5000 раз
572Глава 7. ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ МЕТОДЫПродолжение табл. 7.6Схема включенияИзмеряемая величинаПродольное усилие F в ОК; компенсация
изгиба достигается, если крайние волок¬
на расположены на равных расстояниях
от оси:F=EySe„,
где S - площадь поперечного сеченияЛ.л;Датчик с упругим элементом, умень¬
шающим деформацию, для измерения
пластических деформаций и перемеще¬
ний:h =—(2/2 + 3/3)-
3/1 I■л2У///////////////////////////////////////Лигде елЬ £Л2 - наибольшая допустимая де¬
формация тензорезистора и наибольшая
измеряемая деформацияИзгибающий момент М в стержне. Дей¬
ствие продольного усилия компенсиро¬
вано; компенсационный тензорезистор
является одновременно рабочим:М= ЕуМсея,где Мс - момент сопротивления попереч¬
ного сечения*3 ^4МlL-LVи\ 1.1...Rx л2JH=hRЧ ЛХ2згаК токосъемникуСкручивающий момент Мкр вала. На де¬
тали устанавливают полный мост, если
измерения проводят при ее вращении:Е„ з0,2 • 2Г 8 л45,м*р = ,^1 + Ипгде 2г - диаметр вала; гл45 - деформация
на поверхности вала под углом 45° к его
оси .Rx r24 ЛГ^ГТТ!Перемещение А/, измеряемое по дефор¬
мации упругого изгибаемого элемента:3 l\h м
8л =—LTA/-л 2 /23для элемента с постоян-
hным поперечным сечением; 8Лд,-для консоли переменной ширины посто¬
янного сопротивления; еп - деформация в
месте установки тензорезистора вдоль
консоли ...
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ НК 573Обычно измерение начинают с ком¬
пенсации плеч моста с помощью прецизи¬
онного сопротивления, размещенного в
общем корпусе прибора. Стабилизирую¬
щий прибор изготовляется таким образом,
чтобы можно было подключить большое
число точек измерения (6, 72, 24 или 48).7.8. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ МЕТОДОВ И
СРЕДСТВ НККлассической областью использова¬
ния тензорезистивных методов являются
контроль и испытания механических эле¬
ментов машин, механизмов и конструк¬
ций. Применение тензометров с тензоре-
зисторами в качестве первичных преобра¬
зователей позволяет эффективно решать
следующие задачи:- измерение деформаций, напряже¬
ний и перемещений в деталях машин и
конструкций;- определение концентраций и рас¬
пределения напряжений; оптимизация
формы деталей и конструкций по услови¬
ям механической прочности;- контроль остаточных зональных
напряжений (технологических, сбороч¬
ных);- контроль состояния конструкций
после сборки (монтажа), в том числе во
время пусконаладочных испытаний обо¬
рудования;- контроль и измерение сил, напря¬
жений, перемещений в деталях машин и
конструкций в период эксплуатации в ра¬
бочих режимах и условиях.С развитием теоретической, методи¬
ческой и технической базы тензорези¬
стивных методов контроля в настоящее
время существенно расширилась область
их применения. Тензорезисторы широко
используются в таких приборах и систе¬
мах, как акселерометры, наклономеры,
Датчики давления, которые применяются в
машино- и приборостроении, в энергетике
и атомной промышленности, в ракетно-
космической технике и авиации, в автомо¬
бильной промышленности, в медицине и вдругих областях.Кроме расширения области примене¬
ния тензорезистивных методов, следует
отметить повышение качества контроля и
измерений. Развитие математического
аппарата тензометрии, программно¬
методического обеспечения позволяет в
настоящее время за счет более совершен¬
ной обработки измерительной информа¬
ции реализовывать функции, недоступные
для простейших тензометров: статистиче¬
ская обработка информации в целях по¬
вышения точности; схематизация случай¬
ных процессов нагружения для оценки
ресурса ОК; корреляционный и спек¬
тральный анализ для исследования дина¬
мических характеристик ОК; оценка по¬
грешности измерения; контроль напряже¬
ний и деформаций в отдельных точках ОК
в реальном времени; автоматическая кор¬
рекция результата измерения на основе
оценки влияющих факторов и др.Рассматривая вопрос о совершенст¬
вовании технических средств, реализую¬
щих тензорезистивные методы НК, можно
выделить следующие направления:- совершенствование вторичных из¬
мерительных приборов и систем, их про¬
граммного обеспечения;- совершенствование тензорезисто¬
ров (материалы, конструкции, технологии
изготовления).Данные табл. 7.7 отражают первое
направление. Уже в конце 1980-х годов
отечественная промышленность обеспе¬
чивала тензометрию многофункциональ¬
ными автоматизированными и автомати¬
ческими приборами и системами для из¬
мерения и регистрации статических, ква-
зистатических, статодинамических и ди¬
намических деформаций.С развитием и внедрением в измери¬
тельную практику современных компью¬
терных технологий вторичные измери¬
тельные приборы обеспечиваются аппа¬
ратными средствами поддержки интер¬
фейсов для сопряжения с ЭВМ, а развитие
быстродействующих АЦП позволяет соз¬
давать многоканальные измерительные
системы для динамических измерений с
улучшенными характеристиками.
574Глава 7. ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ МЕТОДЫ7.7. Приборы и системы для тензометрииТип прибора или системыОсновные харак¬
теристикиисд-3КСМТ-4идц-1ЦТМ-5СИИТ-3К-742ТК-80УТ-81 ММ ТС- 1
64.01 /Цена деления,
млн-120100;50-------Диапазон изме¬
рения, млн-1
(единиц млад¬
шего разряда)±5000±5000;±2500±10000±20000(±9999)-100000±(100100000)-Число точек
измеренияДо 201; 121010010010081000-64Погрешность,млн-1±20(1,0)40-6*(1,0;0,5)-0,1**(0,2)Цена единицы
младшего раз¬
ряда, млн-1--20104-10--Время измере¬
ния, с (частот¬
ный диапазон,
Гц)--2110,0010,04(0...1000)0,001* СКО случайной составляющей погрешности.** Систематическая составляющая погрешности.Совершенствование первичных из¬
мерительных преобразователей стало воз¬
можным благодаря переходу к более ши¬
рокому применению полупроводниковых
материалов и новых технологий изготов¬
ления тензорезисторов.Для иллюстрации характеристик со¬
временных технических средств, приме¬
няемых в тензометрии, можно в качестве
примера рассмотреть микропроцессорную
многоканальную тензометрическую сис¬
тему ММТС-64.01 (рис. 7.7). Данная сис¬
тема позволяет автоматизировать сбор
измерительной информации с тензорези-
стивных преобразователей по 64 измери¬
тельным каналам. При этом обеспечива¬
ются последующая обработка и регистра¬
ция данных о состоянии ОК. Система по¬
зволяет реализовать четыре схемы изме¬
рения, отличается высоким быстродейст¬
вием (1 мс/канал), имеет интерфейс для
связи с компьютером.Развитие планарной технологии дало
возможность изготавливать интегральные
датчики с полупроводниковыми тензоре¬
зисторами, которые выращиваются непо¬
средственно на упругом элементе, выпол¬
ненном из кремния или сапфира. Элемен¬
ты из кристаллических материалов обла¬
дают упругими свойствами, близкими к
идеальным, существенно меньшими по¬
грешностями от гистерезиса и нелиней¬
ности статической характеристики по
сравнению с металлическими. Тензорези¬
стор, изготовленный по планарной техно¬
логии, "сцепляется" с материалом упруго¬
го элемента за счет сил межмолекулярного
взаимодействия, что исключает погреш¬
ности, связанные с передачей деформации
от упругого элемента к тензорезистору.На одном упругом элементе выращи¬
вается обычно не отдельный тензорези¬
стор, а непосредственно мостовая струк¬
тура с элементами термокомпенсации.
При этом тензорезисторы, входящие в
один мост, обладают существенно боль-
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ НК 575Рис. 7.7. Микропроцессорная многоканаль¬
ная тензометрическая система ММТС-64.01шей идентичностью, чем дискретные ре¬
зисторы, кроме этого, обеспечивается
также большая идентичность внешних
условий работы резисторов.В качестве примера можно привести
использование микромеханических чувст¬
вительных тензорезистивных элементов
для построения интегральных датчиков
давления. Чувствительный элемент таких
датчиков обычно представляет собой пло¬
скую интегральную мембрану с полным
тензорезистивным мостом. Мембрану ча¬
ще всего изготовляют из n-кремния, а
диффузионные (имплантированные) или
эпитаксиальные тензорезисторы - р-про-
водимости. С такими чувствительными
элементами возможно построение датчи¬
ков для измерения абсолютных, избыточ¬
ных и разностных давлений.Гибридная схема датчика давления
(рис. 7.8) содержит элементы для полного
осуществления требуемого преобразова¬
ния: вакуумированную с одной стороны
для создания эталонного давления мем¬
брану с основанием; полную мостовую
схему из тензорезисторов; интегральную
схему на операционных усилителях для
формирования унифицированного выход¬
ного сигнала, температурной компенса¬
ции, балансировки и т.д.Типовая конструкция состоит из
крышки 7, трубки 7 для подачи давления и
керамической подложки 5 с толстопле
ночными резисторами 6, подстраиваемы¬
ми лазером. На подложке 5 расположены
один или два операционного усилителя 8,
выполненных на отдельных полупровод¬
никовых пластинах, и мембранный чувст¬
вительный элемент 4, изготовленный в
виде отдельного элемента.Рис. 7.8. Конструкция гибридного
тензометрического датчика давления:7 - крышка; 2 - термочувствительный и
нагревательный элемент; 3 - тензорезисторная
мостовая схема; 4 - мембранный чувствитель¬
ный элемент (на рисунке вынесен отдельно с
увеличением масштаба); 5 - керамическая
подложка; 6 - толстопленочные резисторы;7 - трубка; 8 - усилителиНа рис. 7.9 приведен пример конст¬
руктивного исполнения современных ин¬
тегральных датчиков давления, которые
находят применение для контроля давле¬
ний в промышленной автоматике, в гид¬
росистемах (водопроводы, робототехника,
силовые приводы), в альтиметрах, тоно¬
метрах, в системах контроля уровня, в
системах контроля состояния фильтров и
т.п. Большинство таких датчиков имеет
унифицированный выходной сигнал, нор¬
мируемые метрологические характеристи¬
ки, температурную компенсацию, возмож¬
ность коррекции начального смещения.Рис. 7.9. Примеры конструктивного
исполнения интегральных датчиков
давления
Глава 8ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЕ МЕТОДЫ8.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫЭлектроемкостный метод базиру¬
ется на введении ОК или его участка в
электростатическое поле, в качестве ис¬
точника которого используют электриче¬
ский конденсатор. Конденсатор, являю¬
щийся в данном случае первичным преоб¬
разователем, выполняет преобразование
физических и геометрических характери¬
стик ОК в электрический параметр.В качестве измеряемой величины мо¬
гут выступать физико-механические и гео¬
метрические свойства и параметры объ¬
екта неразрушающего контроля, воздей¬
ствующие на один из параметров конден¬
сатора, например, относительную диэлек¬
трическую проницаемость; размеры и фор¬
му; плотность; содержание компонентов в
смесях; влажность; химический состав;
размеры несплошностей; механические
напряжения и т.п.Параметры электрического конденса¬
тора изменяются вследствие изменения
под действием измеряемой величины
площади перекрытия обкладок, расстоя¬
ний между обкладками, или диэлектриче¬
ской проницаемости среды, находящейся
между обкладками. Емкостные методы
относят к параметрическим, так как у кон¬
денсатора с изменением измеряемой вели¬
чины изменяется электрическая емкость
или угол диэлектрических потерь
(рис. 8.1), являющиеся составляющими
комплексной проводимости и рассматри¬
ваемые как первичные информативные
параметры электроемкостного метода
контроля.Степень корреляции емкости и угла
диэлектрических потерь с параметрами
ОК очень различна. Так, например, значе¬
ние угла диэлектрических потерь в основ¬
ном определяется составом, влажностьюОК и степенью полимеризации его мате¬
риала, но на него слабо влияют геометри¬
ческие размеры объекта и состояние его
поверхности. В то же время на емкость
одинаково сильное влияние оказывают как
перечисленные величины, так и состояние
окружающей среды (давление, температу¬
ра, влажность), геометрия и состояние
поверхности ОК.Следует отметить, что информатив¬
ные параметры электроемкостного мето¬
да зависят также от конструкции преоб¬
разователя и электрических характеру
стик среды, в которую помещен ОК. Пер¬
вое обстоятельство учитывается при оп¬
тимизации конструкции преобразователя,
второе обычно является причиной воз¬
никновения мешающих контролю факто¬
ров. Поэтому вследствие многопарамет¬
рической информации об ОК необходимы
меры для выделения информации об из¬
меряемых параметрах.Преимуществами электроемкостный
методов НК являются:- однозначность зависимости между
входной и выходной величинами обычно без
гистерезиса;- простота и технологичность кон^
струкции, удобство монтажа и эксплуа¬
тации; ^- простота адаптации формы конден^
сатора к измерению различных неэлектри¬
ческих величин;- однонаправленность действия, т.е.
нагрузка выходной цепи не оказывает4
никакого влияния на измеряемую неэлек¬
трическую величину; д- большая перегрузочная способ?i Чь, wность;- малая постоянная времени, позво¬
ляющая проводить измерения в динамиче^
ском режиме; *
IОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 577ХарактеристикаматериалаДиэлектрическаяпроницаемостьКоэффициентпотерьСоставВлажностьПолимеризацияПлотностьРадиопрозрачностьПараметрыэлектроемкостногопреобразователяЭлектрическая
емкостьДиаграмма
анизотропии
(по емкости или
тангенсу угла
потерь)ХарактеристикаизделияГеометрическиеразмерыСоотношениекомпонентовСостояниеповерхностиНаправлениеармирующегоматериалаВнутренниенапряженияРис. 8.1. Схема воздействия характеристик
объекта контроля на электрические параметры сильные корреляционные связи; слабые- возможность изготовления конден¬
сатора с высокой точностью и малыми
потерями;- возможность получения информа¬
ции о параметрах ОК как в сравнительно
больших объемах материала, так и в его
локальных участках и на определенной глу¬
бине.Неоспоримыми преимуществами ем¬
костного элемента являются также значи¬
тельно более низкие уровни шумов, чем у
резистивных и индуктивных элементов, и
отсутствие самонагрева.Основными недостатками, ограничи¬
вающими применение электроемкостных
методов, являются малая емкость конден¬
саторов, используемых в качестве преоб¬
разователей, влияние на величину емкости
температуры окружающей среды, влажно¬сти воздуха или диэлектрика, располо¬
женного между их пластинами, а также
других внешних факторов. В то же время
температура, положение, вибрация и т.п.
причины оказывают влияние, которое час¬
то можно учесть при конструировании
преобразователей.В зависимости от того, какой пара¬
метр датчика является информативным
(связанным функционально с измеряемой
величиной), с какой средой и в каких
внешних условиях он должен работать,
выбирают принципы его проектирования:
принцип действия и конструктивное ис¬
полнение, материалы элементов конст¬
рукции, технологию изготовления и прин¬
ципы преобразования выходного сигнала
в форму, удобную для передачи и
регистрации.19—607
578Глава 8. ЭЛЕКТРОЕМКОСТИЫЕ МЕТОДЫ8.2. ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯОбласти использования емкостных
методов НК весьма разнообразна. Наибо¬
лее широко они используются для измере¬
ния малых перемещений и величин, легко
преобразуемых в перемещение, например
давлений, и контроля свойств тел: диэлек¬
трической постоянной и связанных с нею
величин, например влажности, уровня и
температуры.При современном уровне технологии
изготовления преобразователей порог
чувствительности емкостных методов по
перемещению оценивается значениями
порядка 10-14 м, а как наиболее высоко¬
чувствительные они нашли применение в
научных исследованиях, при измерениях,
проводимых в условиях сверхнизких тем¬
ператур. С их помощью проводят измере¬
ния влажности: зерна - в диапазоне 8 ... 35
%; бумаги и текстиля - 5 ... 30 %; угля - 5
... 20 %, а диапазон измерения промыш¬
ленных влагомеров составляет0 ... 80 % с погрешностью 0,3 ... 2 %.Емкостные методы позволяют кон¬
тролировать толщину пластин, оболочек и
диэлектрических покрытий на проводнике
и даже на диэлектрике при условии, что
этот диэлектрик имеет иную диэлектриче¬
скую проницаемость, чем материал по¬
крытия. Промышленно выпускаемые тол¬
щиномеры позволяют измерять толщину
диэлектриков в диапазоне 0 ... 5 мм с по¬
грешностью ± 0,25 %, а проводящих объ¬
ектов контроля в том же диапазоне с по¬
грешностью ± 10"5 м. Их использование
позволяет контролировать поперечные
размеры линейно-протяженных проводя¬
щих и диэлектрических изделий (нитей,
стержней, лент, прутков), проводить лока¬
лизацию проводящих и диэлектрических
включений и другие работы. Для измере¬
ния диаметров тонких проволок, волокон
и подобных им изделий используются ем¬
костные преобразователи с погрешностью
измерения 1,5 % от верхнего предела из¬
мерения.Опыт разработки современной аппа¬
ратуры показывает, что емкостные методы
успешно применяются для контроля не-
сплошности ряда диэлектриков и слабо-
проводящих жидкостей, уровня диэлек¬
трических и проводящих сред, а также
давления практически в любых средах
(диэлектриках, слабопроводящих и прово¬
дящих). Однако на практике наибольшее
распространение получил НК диэлектри¬
ков. Здесь накоплен богатый опыт по раз¬
работке (выбору) конструкций чувстви¬
тельных элементов и методов преобразо¬
вания выходных сигналов с учетом элек¬
трических свойств контролируемых сред и
условий эксплуатации.Косвенным путем также можно оп¬
ределить и другие физические характери¬
стики материала: плотность, содержание
компонентов в гетерогенных системах, в
частности, коэффициент армирования
композитных материалов, степень поли¬
меризации и старения, механические па¬
раметры и пр.8.3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ8.3.1. Параметры емкостного
преобразователяПо конструктивному решению чувст¬
вительных элементов (конденсаторов)
емкостные преобразователи подразделяют
на плоскопараллельные, компланарные,
коаксиальные, стержневые, с обкладками,
выполненными из сеток, и т.д. Несмотря
на кажущиеся различия, все конструктив¬
ные решения можно свести, в основном, к
трем типам: цилиндрическому (состоит из
двух тонкостенных коаксиальных метал¬
лических цилиндров), плоскопараллелъ-
ному и компланарному (накладной кон¬
денсатор).Принцип действия емкостных преоб¬
разователей основан на зависимости элек¬
трической емкости конденсатора от раз¬
меров, взаимного расположения его об¬
кладок и от диэлектрической проницаемо¬
сти среды между ними. Для определенных
форм электродов конденсатора емкость без
учета краевых эффектов рассчитывается по
формулам, приведенным в табл. 8.1.
гТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ5798.1. Формулы для расчета емкости простых конденсаторов№Форма и размерыСхемаЕмкость, ФПлоскиеПараллельные пластины с
активной площадью обкла¬
док S на расстоянииd « 4sс =£р srSПараллельные пластины с
активной площадью обкла¬
док S1 - вне жидкости и S2 -
в жидкости на расстоянии d
и разной диэлектрической
проницаемостью сред меж¬
ду обкладкамиС =Плоскость пластин площа¬
дью S удалена от парал¬
лельных плоскостей с обеих
сторон на d\ и d2BSBSBSBBBBS уС = Е0ЕГ1 1 1 v^l ^2Конденсатор с несколькими
слоями диэлектрика толщи¬
ной dk и относительными
диэлектрическими прони¬
цаемостями с*c = ^o_Sif1Сложный плоскопарал¬
лельный конденсатор с
площадью пластин S и с п
зазорами, заполненными
диэлектриком с относитель¬
ной диэлектрической про¬
ницаемостью £гА.,А.,C = s0s,1 1 1 yd\ d2 jSnСфера
580Глава 8. ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЕ МЕТОДЫПродолжение табл. 8 j№Форма и размерыСхемаЕмкость, ф7Уединенная сфера радиусом
г в большом пространстве,
R—> ооТо жеС = Апг0гггЦилиндрОдинаковые параллельные
цилиндры длиной / с радиу¬
сами г и расстоянием между
осями d>2r7I£()£JКоаксиальные цилиндры
длиной / и с радиусами R > гjjс =2ке0Ег110Коаксиальные цилиндры
длиной / с радиусами R>r и
изменяющейся диэлектри¬
ческой проницаемостью
среды между обкладками7*w Mr2г_
2 RС =глеоСе^! +e2h)
In*11Два проводника с радиуса¬
ми R > г на расстоянии
d»RС =2Я£0£Г/In—Rr
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ581Продолжение табл. 8.1№Форма и размерыСхемаЕмкость, ФКомби]нированные системы12Цилиндр длиной /, сравнимой
с расстоянием h от плоскости,
и с радиусом г при условии
4 г2«/2С=-2 П£фг1I ф2 +(4hf+1Плоскость и цилиндр с радиу¬
сом г и длиной /, начинаю¬
щийся на высоте h и перпен¬
дикулярный к плоскости,
причем 4 г2«/2Q — 2Я£р£г/' л/4/г + З/Обозначения: 5 - активная площадь обкладок, м2; 5Ь 52 - площадь перекрытия части обкла¬
док, расположенных соответственно в газообразной и исследуемой средах, м2; d - расстояние
между обкладками, м; е0 - электрическая постоянная (8,854-10" 12 Ф/м); ег - относительная ди¬
электрическая проницаемость; еь е2 - относительная диэлектрическая проницаемость соответст¬
венно газообразной и контролируемой среды; 1\ = / - /2 - длина части обкладок преобразователя,
расположенной в газообразной среде, м; /2 - длина части обкладок преобразователя, распо¬
ложенной в исследуемой среде, м.j Формулу (1) применяют, если в про-
I цессе контроля происходит изменение
; расстояния d между обкладками или ди-5 электрической проницаемости с контро-
s лируемой среды. Если изменяется пло-
: щадь (уровень) перекрытия обкладок пре-
образователя контролируемой средой с
I диэлектрической проницаемостью с2, то
f используется формула (2). Соответствую-
I щие упрощенные выражения для анало-5 гичных случаев цилиндрического преоб-
) разователя соответствуют формулам (9) и
j (Ю).I Недостатком простых емкостных
I преобразователей является зависимость
| электрической емкости не только от раз-
1 меров ОК, но и от его положения по от-
j ношению к измерительному электроду,
I так что неточность при установке ОК вы-
I зовет ошибку в измерении. Этот недоста¬ток исключается при использовании схе¬
мы, соответствующей формуле (3). Суть
представленного принципа заключается в
том, что если между пластинами конден¬
сатора движется лента из проводящего
материала, то результирующая емкость
между электродами складывается из двух
последовательно включенных емкостей.
Поэтому емкость между электродами за¬
висит от суммы обоих воздушных зазоров,
а следовательно, и от толщины ОК, если
расстояние между обкладками конденса¬
тора постоянно. При этом величина элек¬
трической емкости не зависит от положе¬
ния контролируемой ленты относительно
пластин.Часто применяемым случаем расчета
емкости является использование плоско¬
параллельного конденсатора, между элек¬
тродами которого перемещается диэлек-
582Глава 8. ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЕ МЕТОДЫРис. 8.2. Схема замещения емкостного
компланарного преобразователятрик (формула (4)). Наличие слоя диэлек¬
трика увеличивает как емкость конденса¬
тора, так и его чувствительность.Особенностью компланарного кон¬
денсатора с электродами, расположенны¬
ми в одной плоскости на поверхности ди¬
электрика, под которым находится прово¬
дящая среда (рис. 8.2), является то, что
электрический ток разветвляется. Участки
цепи при этом соединены параллельно, а
цепь с емкостью С3 замкнута накоротко,
поэтому общая емкость преобразователя
будет равна:Соб =—С,С1 + С2 = 0,5С, +С2,06 (С,+С4)где Ci = С4.Если покрытие наносится на диэлек¬
трическую основу, то емкость находится
по формуле:0,5^Соб — ^2 •(0,5С,+С3)На практике выражения для расчета
емкостей датчиков с учетом воздействия
влияющих величин имеют более сложный
вид. Однако приведенные выражения по¬
зволяют оценить область применения пре¬
образователей в зависимости от того, ка¬
кой из параметров («d, S, /, с) является ин¬
формативным. Следует отметить, что пер¬
вые три параметра определяются конст¬
руктивными особенностями емкостных
преобразователей, а диэлектрическая про¬
ницаемость с характеризует физическое
состояние ОК.Емкостные преобразователи чаще
всего работают в области слабых электро¬
магнитных полей. Для таких полей ди¬
электрическую среду достаточно характе¬ризовать двумя параметрами: диэлектри¬
ческой проницаемостью 8 и углом дц
электрических потерь 5 (добротностью
Q). Диэлектрик преобразователя вносит
дополнительные потери, поэтому разность
фаз тока и напряжения меньше 90° на угол
5, называемый углом потерь.Упрощенные последовательная схема
замещения, состоящая из электрической
емкости С' и активного сопротивления
R', и схема, в которой емкость С и сопро¬
тивление R соединены параллельно, пред¬
ставлены на рис. 8.3. Обычно вместо угла
рассматривается tg5, который в данном
случае равен:tg§ = _i_ = o)C’R’,(oCRгде со - циклическая частота.Величина, обратная tg5, называется
добротностью Q емкостного преобразо¬
вателя:1Q = со CR =соСТГУ большинства материалов tgS
уменьшается с ростом частоты, что соот¬
ветствует параллельной схеме замещения;
при последовательной схеме tg5 растет с
увеличением со. Поэтому на практике при-
низких частотах чаще используют парал¬
лельную схему замещения, а последова-£лТ. 1Щ С*—-MrС=-- П*ис< I. — — JиUr=IR\ mr=ic££=-4СсоСU-а)2JW"lHJR=Uc7=^+со С7 JR Rб)Рис. 8-3. Эквивалентные схемы
замещения емкостного преобразователя:а - последовательная; б - параллельная
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ583?1ельную применяют на высоких частотах
тех случаях, когда это упрощает расче-I Угол потерь tg6 для разных диэлек-
§риков различен. Вместе с тем эта величи¬
на зависит от температуры, влажности,
Частоты и напряжения на конденсаторе.
Очевидно, что на принципе измерения
|угла потерь можно строить различные
приборы, например влагомеры,
f Неразрушающий контроль электри¬
ческих свойств материала возможен с по¬
мощью измерения емкости С\ и тангенса
отла потерь tg5i, С2 и tg62 соответственно
заполненного образцовым и исследуемым
материалом емкостного преобразователя.
Тогда диэлектрическая проницаемость £м
и тангенс угла потерь tgSM материала оп¬
ределятся из выражений:<&8М =(^82-^8, п——],|где Со - рабочая (начальная) емкость пре¬
образователя (без заполнения).3 Современная физика диэлектриков
| связывает зависимости г и tgS материалов
%их свойств с основным процессом, про¬
исходящим в любом реальном диэлектри¬
ке под воздействием электрического по-
^ля, — поляризацией частиц диэлектрика.
? Все диэлектрики по своим электромагнит¬
ным свойствам делят на полярные, слабо-
^ полярные и неполярные. К полярным от¬
носятся среды с 8 > 12, например вода,
^метиловый и этиловый спирт, ацетон и др.
Как правило, полярные диэлектрики име¬
ют большую величину удельной проводи¬
мости (« 10_3 См/м) и значительные
диэлектрические потери; tgS у таких сред
существенно зависит от частоты, на кото¬
рой производится измерение.К слабополярным относятся среды сз Диэлектрической проницаемостью, удов-
! летворяющей условию 3 < £ < 6. Удельная
проводимость у них 10~13 ... 10"8 См/м, адиэлектрические среды с s < 3 образуют
группу так называемых неполярных ди¬
электриков. К ним относятся раститель¬
ные и минеральные масла, нефтепродукты
и их производные (керосин, бензин и др.),
сжиженные газы, такие как азот, кисло¬
род, водород и т.д. Диэлектрическая про¬
ницаемость указанных масел и нефтепро¬
дуктов колеблется в диапазоне 1,8 ... 2,5,
сжиженных газов - в диапазоне 1,25 ... 1,5.
Группа жидких неполярных диэлектриков
обладает хорошими изоляционными свой¬
ствами. Их удельная электрическая прово¬
димость обычно не превышает 0,5 • Ю-10 ...
0,5 • 10~15 См/м. Большинство диэлектри¬
ков этой группы обладает малыми диэлек¬
трическими потерями.По электрическим свойствам газы
также делят на полярные и неполярные.
Диэлектрическая проницаемость послед¬
них близка к единице (у водорода
£ = 1,00027, кислорода £ = 1,00065, азота
£ = 1,00058) и мало зависит от температуры.
На практике она принимается равной 1.8.3.2. Диэлькометрический методВ тех случаях, когда емкость преоб¬
разователя применяется для определения
свойств диэлектриков, необходимо введе¬
ние таких характеристик диэлектрика,
которые бы не зависели от конструкции
преобразователя и, в частности, от его
емкости или сопротивления потерь. Для
введения таких параметров используют
следующий прием. Электрическая ем¬
кость, включенная в цепь переменного
тока, ведет себя как комплексное сопро¬
тивление Zc тем меньшее, чем она больше
и чем выше частота переменного тока.
Полагают, что емкость конденсатора -
комплексная величина Сс, комплексность
которой определяется тем, что комплекс¬
ной величиной является диэлектрическая
проницаемость £с, т.е.г £0S<^
d
584Глава 8. ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЕ МЕТОДЫВ этом случае для последовательной
схемы замещения (рис. 8.3, а)Zc=-j— = R'-j-^—,
соСс соС'а для параллельной схемы замещения
(рис. 8.3, 6)1 1 • ^— = — + /со С.Zc RПодставив зависимость для опреде¬
ления емкости в полученную формулу для
последовательной схемы замещения и
умножим ее левую и правую части на j,
получим выражение:<i>E0£cSсое 0eSоткуда1 . coe0i?'S 1— = J— + -•e„ d 8Из этой формулы выводят выражение
для комплексной диэлектрической прони¬
цаемости среды, которая характеризует
поведение диэлектрика в электрическом
поле и изменяется при изменении физиче¬
ских параметров диэлектрика (например,
влажности)18с 1 .со e0R'S- + J— е dУмножив числитель и знаменатель
этой зависимости на величину
(l/e-ycoe0tf'*S7 </), выражение для ес
можно записать в виде:где £с ак=ак уеС реак?1/8(1/е)2-[(сое0Д'57 J)]2отобра¬жает емкостную составляющую сопротивле¬
ния конденсатора, асое о е 2R'S•'с реакl + [(co£0e.K'*S7J)]2отображаетпотери в диэлектрике на переполяриза-
цию.Полученные характеристики ес ак и
8С реак являются характеристиками диэлек¬трика, используемого в преобразоватеде и
не зависят от параметров преобразователя
Действительно, после подстановки в вы¬
ражение 8С реак значений i?' = Zc'tg8fc~ХС tg8 = —^7 и С = ^4-, где Хс '-со-со С " ' d
противление емкости без потерь, получа¬
ется 8С реак / £с ак — tgS. 1 «»■
Таким образом, свойства среды; за¬
полняющей емкостный преобразователь'
характеризуются комплексной диэлектри¬
ческой проницаемостью, что дало назва¬
ние методу контроля характеристик'Ди¬
электрика - диэлькометрический (от слов
дйэлектрический - "диэль" и комплекс¬
ный - "ко"). г/
Данный метод имеет широкую об¬
ласть применения. Он используется для
измерения влажности различных химиче¬
ских соединений; минеральных, расти¬
тельных и животных жиров; влажных
сельскохозяйственных продуктов (травы,
силоса и др.); чая, табака, мяса, молока и
хлеба; песка, глины, угля, резины; а также
содержания компонентов разных гетеро¬
генных сред, в частности, для определение
коэффициента армирования композитных
материалов. Наличие влаги оказывает
большое влияние на поляризацию неодно¬
родных диэлектриков сложного состава,1 1какими и являются влажные материаль!^ ^
Следует отметить, что в гетерогей*
ных системах поляризация имеет неоди¬
наковый характер для различных фаз^И
для всей системы в целом, а на хараюг^и-стики системы также оказывает влияние
^ \ it
двойной электрическии слои, определяе¬
мый наличием заряда на поверхностную
дела между фазами, имеющими разнШ
электрические свойства. fbВычисления проводятся с помощь*)
формул, определяющих средние значения -
диэлектрической проницаемости и-фазнби
смеси через диэлектрические проницаемб^
сти компонентов и их объемную или мас¬
совую концентрацию (табл. 8.2). Эти фор¬
мулы могут быть использованы и для об¬
ратной задачи, наиболее актуальной
НК, задачи определения характеристик
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ58518.2. Формулы для расчета среднего значения диэлектрической проницаемостиМодель средыУсловия применения
формулыФормула для расчетаДиэлектрическая
смесь (формула
Рейнольдса и
Хью)Обобщенная формула£™ =£ср + есрК£ф-£ср)хх[«ср+4®Ф-J"1где А - коэффициент, зависящий
от отношений осей эллипсоидаль¬
ной частицы и ее ориентации от¬
носительно поляДвухслойная средаПараллельное
соединение слоевПоследовательное
соединение слоевZ]hx + e2h2см 7,7 9hy+h2индексы 1 и 2 обозначают первый и
второй слой толщиной h\ и /?2;= ¥з(МЛ)£2/г, + г,/г2Матричная смесь
сферических
включений (фор¬
мула Максвелла)^см £ср еср у \ьф ьсрК£ф-£ср)х£ср + - (£ф £ср)ПХ£ЛКомпозит, содер¬
жащий п слоевПараллельное соедине¬
ние слоевПоследовательное
соединение слоевг = -*=*-ьсм п1=1ti
1 -Ш.2>i=\Матричная смесь
сферических
включений (фор¬
мула Вагнера)Разница в диэлектри¬
ческих проницаемо¬
стях среды и включе¬
ний небольшая. Рас¬
стояние между вклю¬
чениями велико по
сравнению с их диа-
метром, 8 < 1 есм £ср1 +зК£ф-£ср)'Ел +2е,срМатричная смесь
сферических
включений (фор¬
мула Лоренц-Ло-
рентца)То же£см £ср1+-3V£Ф + £ср у£ф £ср
586Глава 8. ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЕ МЕТОДЫПродолжение табл. 8 2№Модель средыУсловия применения
формулыФормула для расчетаСтатическая двух¬
компонентная
смесь (формула
Винера)Расположение дисперс¬
ных частиц (цилиндри¬
ческих, плоских, эл¬
липсоидальных) относи¬
тельно направления элек¬
трического поля учи¬
тывается коэффициентом
смеси п (0 < п < оо)+п£ср +лСтатическая смесь
(формула Бругге-
мана)При произвольном рас¬
положении частиц отно¬
сительно поля:- для сферических час¬
тиц- для частиц в виде пло¬
ских дисков£ф £ср- = (1-К)зр*-;ср■ £гм + £— (1 У) фср2£ф + £СрСтатическая
«-компонентная
смесь (формула
Лихтенекера)=2>„i=iВключения могут иметь
любую формугде Vi - объемная концентрация
/-ой составляющей, причемпIV,=1.1=110Статическая двух¬
компонентная
смесь (формула
Лихтенекера)То жесриСтатическая мно¬
гофазная смесь не¬
вытянутых частиц
(формула Оделев-
ского)1 £ ,• + 2гг■Vf = оОбозначения: £см, £ср, £ф - диэлектрические проницаемости соответственно смеси,
дисперсной среды и дисперсной фазы соответственно; V = —-— объемная концентрация^смдисперсной фазы; Кф- объем дисперсной фазы; VCM - объем смеси.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ587состава материала, например, влажности,
коэффициента армирования, пористости
| до диэлектрической проницаемости всей
I композиции и отдельных ее компонентов,
| а также для определения диэлектрической
| проницаемости одного из компонентов,
: если известны остальные параметры.Обзор имеющихся для расчета фор¬
мул (как приведенных в табл. 8.2, так и
ряда других) показывает, что в настоящее
время не существует универсальной ана¬
литической модели диэлектрических
свойств гетерогенных систем и, в частно-
i сти, дисперсных влагосодержащих тел.
^ Поэтому основой для изучения электриче-
I ских свойств влагосодержащих тел, по-
\ прежнему, являются экспериментальные
I данные.I Диэлектрическая проницаемость сред
\ зависит не только от их влагосодержания,
I но для ряда материалов также от давления
I и температуры, что позволяет использо-
I вать емкостные преобразователи для из-
I мерения этих величин. Зависимость между
1 диэлектрической проницаемостью s и
I температурой 0 имеет вид:: £0 =£2О(1 + а0),\ где £2о - значение диэлектрической прони-
\ цаемости материала при температуре
^ 20 °С, Ф/м; а - коэффициент линейногоS расширения материала, К-1; 0 - темпера-
\ тура, равная 0 = 0, - 20 °С; 0, - темпера¬
тура материала, °С.Некоторые специальные материалы
\ (титанат бария, сегнетовая соль) имеют
: резко выраженную зависимость диэлек-
; трической проницаемости от температу-
j ры. При температурах, соответствующих
jj точкам Кюри, их диэлектрическая прони-
! цаемость возрастает во много раз. Это(явление используется в емкостных преоб¬
разователях для систем аварийной сигна-
j лизации.*Изменение температуры материалов1 сказывается и на геометрических размерахпреобразователя из-за линейного расши¬
рения материалов. Средние температур¬
ные коэффициенты линейного расшире¬
ния для наиболее распространенных мате¬
риалов составляют: для металлов - (15 ...
30)-10“6КГ|, для инвара - (1 ... 5>10_61Г1,
для органических диэлектриков - (50 ...
100)* 10-6 ЬС-1, для фарфора - (3 ... ^-Ю^КГ1,
для кварца плавленого - 0,45 • 1 O'6 К-1.Чтобы охарактеризовать зависимость
электрической емкости конденсатора от
температуры, пользуются температурным
коэффициентом емкости (ТКЕ), который
определяет относительное изменение ем¬
кости при изменении температуры на один
градус Цельсия. ТКЕ для некоторых неор¬
ганических диэлектриков составляет: для
кварца плавленого С5-1 - 0,055-10~2 °С~\
для сапфирита - 1,34 • 10~2 °С~\ рутила -
минус 8 • 10~2оС-1.8.3.3. Учет краевого эффекта обкладок
конденсатораДля повышения точности расчетов
емкостных преобразователей следует учи¬
тывать влияние краевого эффекта, кото¬
рый возникает из-за неоднородности элек¬
трического поля у краев обкладок. Для
этого разбивают сложный по своей струк¬
туре неоднородный электрический поток у
краев обкладки на более простые и раз¬
личные по форме участки. Общая элек¬
трическая емкость преобразователя скла¬
дывается из емкостей отдельных участков:с0б=£с,,где С, - емкость /-го участка.Такой метод не позволяет получить
точное значение общей емкости преобра¬
зователя, но дает достаточное приближе¬
ние. В табл. 8.3 приведены некоторые
формулы для расчета электрической емко¬
сти, обусловленной различными по форме
участками выпучивания электрического
поля из зазора.
588Глава 8. ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЕ МЕТОДЫ8.3. Формулы для расчета емкости, обусловленной различными
по форме участками выпучивания электрического поля из зазораУчастокГеометрическаяфигураПроекции геометриче¬
ской фигурыПримеррасположенияФормулы расчета
емкости f .гПолуцилиндр>0С = 0,26s ЪПоловина поло¬
го цилиндраС = -2s Ъ\т\ уТП\ =z* +хп-^m г:
2Четвертьцилиндра\|/ъ<—>А^3Четверть полого
цилиндраС = -2гЪ—+0,5
щ Jz’m +x”-d
m2= ггL .. ш,
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ589Продолжение табл. 8.3участокГеометрическаяфигураПроекции геометриче¬
ской фигурыПримеррасположенияФормулы расчета
емкостиСферическийквадрантС = 0,11 edКвадрант сфе¬
рической обо¬
лочкиС =тх =zm+x 2Половина сфе¬
рического квад¬
рантаС = 0,34е£Половина квад¬
ранта сфериче¬
ской оболочки5\г>гг~ /Пл|'\ Yf S*T~-LjJU 1A^3С = -8 ШлШл =z'm +x"-dДля расчета по этим формулам чис¬
ленных значений емкости отдельных уча¬
стков необходимо знать параметры выпу¬
чивания электрического потока из зазора,
т.е. необходимо знать координату поля х'
вдоль обкладок преобразователя. Расчет¬
ных зависимостей для определения этой
величины нет. В процессе расчета ее за¬
дают xf = (0,1 ... 0,3)<я, где а - ширина об¬
кладки конденсатора. Затем по найденно¬
му значению х\ пользуясь зависимостью
z’m = 0,86.x', находят значение zm . Дляопределения х” задаются величиной z”m ,
которую принимают равной толщине об¬кладки емкостного преобразователя h.
Далее, используя формулу х9 = 1,16z”m ,находят значение х".В общем случае введение в емкост¬
ный преобразователь контролируемого
объекта или материала вызывает перерас¬
пределение зарядов на электродах, кото¬
рое вызывает уменьшение емкости от
краевого эффекта на фоне увеличения ос¬
новной составляющей. Это связано с втя¬
гиванием силовых линий электрического
поля в области с более высокими значе¬
ниями диэлектрической проницаемости.
590Глава 8. ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЕ МЕТОДЫ/8.4. ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ
РЕАЛИЗАЦИИ8.4.1. Схемы построения и конструкции
преобразователейГабаритные размеры емкостных пре¬
образователей определяются конструк¬
тивными соображениями. Но в любом
случае нужно стремиться к увеличению
электрической емкости преобразователя,
так как это уменьшает его выходное со¬
противление и облегчает требования,
предъявляемые к изоляции измерительной
цепи преобразователя. Для увеличения
емкости преобразователя зазор между
пластинами уменьшают насколько воз¬
можно по технологическим и конструк¬
тивным соображениям.Следует отметить, что электрические
емкости большинства емкостных пре¬
образователей составляют 10 ... 100 пФ,
при этом начальный зазор между обклад¬
ками может быть доведен до 5 ... 10 мкм,
однако даже при таких зазорах их выход¬
ное сопротивление на высоких частотах
велико (103... Ю5Ом).Конструкция емкостных преобразо¬
вателей зависит от ОК и, в первую оче¬
редь, от агрегатного состояния исследуе¬
мой среды (твердая, жидкая, газообраз¬
ная). Наиболее сложную задачу представ-а) б) в)Рис. 8.4. Расположение электродов
накладных преобразователей и картина
электрического поля Е в объекте контроля:а, б - преобразователи с гибкими прямоуголь¬
ными электродами (7 - фольга; 2 - бумажная
лента; 3 - ОК); в - преобразователь с концен¬
трическими электродами (1 - низкопотенци¬
альный электрод; 2 - высокопотенциальный
электрод; 3 - ОК; 4 - диэлектрик; 5 - выводы)ляет контроль твердых материалов,/так
как жидкие и газообразные среды могут
принимать любую форму, и конструкций
преобразователя в данных случаях выби¬
рают на основании условий обеспечения
наибольшей точности измерения, .раз,
решающей способности метода, характера
взаимодействия среды с электродами й т.п.По взаимному расположению элек¬
тродов первичные преобразователи под¬
разделяются на накладные, проходные для
контроля жидких и сыпучих материалов.Контроль толщины и однородно¬
сти твердых материалов (покрытий)
предусматривает конструкцию преобразо¬
вателя, обеспечивающую НК часто при
одностороннем доступе к поверхности
изделия. Для решения такого рода задач
применяют накладные (компланарные) -
преобразователи, электроды которых рас¬
положены на поверхности ОК или в нецо-
средственной близости от него. При этом
электроды преобразователя находятся на
одной плоской или криволинейной по¬
верхности. Накладные преобразователи
характеризуются большой неоднородно^
стью создаваемого ими электростатиче¬
ского поля в ОК с максимальным значени¬
ем напряженности поля (следовательно, и
максимальной чувствительностью) непо¬
средственно у поверхности электродов и :
быстрым затуханием поля по мере удале¬
ния от электродов. В связи с этим исполь^
зование накладных преобразователей
обычно требует осуществления мер по
компенсации влияния контактных условий
(шероховатость поверхности, ее загрязне^
ниеипр.). ■‘«И'В накладных преобразователях эле^
троды обычно выполняются в виде пря^
угольных, круговых и кольцеобразных
проводящих пластин, накладываемых rga
поверхность ОК (рис. 8.4). Пластин^в
виде гибких электродов обычно выполщ
ется на основе бумажной ленты с прикл^
енной к ней металлической фольгой тол-»
щиной около 7 мкм. Межэлектродная ем¬
кость при этом определяется геометрией
электродов и диэлектрическими прони^
ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ591ЕРис. 8.5. Схема расположения и
коммутации электродов накладного
преобразователя с изменяемой глубиной
зоны контроляаемостями материала объекта и окру-
ающей среды. Обычно толщина диэлек¬
трического объекта и размеры свободного
ространства над электродами значитель-о превышают глубину зоны контроля.Для изменения глубины этой зоны и
ослабления влияния неровности по-
ерхности на результаты контроля приме-
ются накладные преобразователи с пе-
еключаемыми электродами (рис. 8.5).
оммутация электродов с использованием
оказанной на этом рисунке схемы позво¬
ляет сформировать меньшую зону контро¬
ля в положении а переключателя (сплош-
ые силовые линии) и большую глубину в
положении Ъ переключателя (штриховые
■иловые линии).Изменение глубины зоны контроля
Позволяет реализовать послойную провер¬
ку ОК.Контроль размеров поперечного се¬
чения линейно-протяжных диэлектри¬
ческих и проводящих изделий (например,
проволоки, ленты, полосы, фольги, прут¬
ков и т.д.) осуществляют проходными
преобразователями. На рис. 8.6 показаны
некоторые из схем размещения электродов
проходных преобразователей относитель-о ОК. В зависимости от схемы включе-
ия электродов и ОК их конструкции бы¬
вают двух- и трехзажимными, а работа
основана на измерении полной, частичной
или перекрестной емкости.Рис. 8.6. Конструкция проходных
емкостных преобразователей с измерением
электрической емкости:а-в- полной; г, д - частичной; е,ж- пере¬
крестной; 1 - высокопотенциальный электрод;
2 - низкопотенциальный электрод; 3 - ОК;4 и 5 - охранные электроды; 6 - индикатор;7 - источник питанияВ схемах на рис. 8.6, бив электро¬
проводящий ОК 3 сам служит электродом,
в остальных же схемах контролируемый
объект может быть выполнен из любого
материала. Основные электроды (высоко¬
потенциальный 1 и низкопотенциаль¬
ный 2) формируют рабочее электрическое
поле, а охранные электроды 4 и 5, обычно
заземляемые, уменьшают поле рассеяния,
снижая погрешность измерений.Контроль толщины диэлектриче¬
ских плоских объектов проводят бескон¬
тактным способом с использованием двух
электродов, имеющих зазор, в который
размещают контролируемое изделие. Как
уже отмечалось, изменение электрической
емкости может быть вызвано несколькими
причинами. Например, на зависимости
емкости конденсатора от расстояния меж¬
ду его пластинами основаны емкостные
592Глава 8. ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЕ МЕТОДЫРис. 8.7. Схемы устройства
емкостных преобразователей для измерения
перемещений и усилий:а - емкостный микрометр; б - дифференциаль¬
ный емкостный преобразователь усилия;
в - преобразователь углового перемещения с
переменной площадью пластинмикрометры, которые отличаются боль¬
шой чувствительностью. Конструкция
преобразователя состоит из двух электро¬
дов (рис. 8.7, а), один из которых (элек¬
трод 1) неподвижен, а другой (электрод 2)
подвижен и связан с измерительным нако¬
нечником 3, контактирующим с ОК 4.Контроль малых перемещений
(10-6... 10-3 м), а также точное измерение
быстроизменяющихся сил и давлений ос¬
нованы на применении дифференциально¬
го емкостного преобразователя. Схема
подобного преобразователя изображена наРис. 8.8. Разновидности
преобразователей давления:а - мембрана с неравномерным зазором;б - мембрана с равномерным зазором;
в - сильфон в качестве электрода;
г - цилиндрическая мембрана;
д - измерительный цилиндррис. 8.7, б. Обкладка 2 закреплена на дру.
жинах и перемещается поступательно под
воздействием измеряемой силы F. Об¬
кладки / и 3 неподвижны. При увеличе¬
нии усилия F электрическая емкость меж¬
ду обкладками 2 и 3 увеличивается, а ме¬
жду обкладками 1 и 2 - уменьшается.Измерение угла поворота вала пока¬
зано на рис. 8.7, в и осуществляется с по¬
мощью емкостных преобразователей с
переменной площадью пластин. Под пло¬
щадью пластин подразумевается не дейст¬
вительная площадь металлических обкла¬
док, а площадь части диэлектрика, общая
для обеих пластин, где сосредоточена по¬
давляющая часть поля конденсатора. Пла¬
стина 7, жестко скрепленная с валом, пе¬
ремещается относительно пластины 2 так,
что ширина зазора между ними сохраняет¬
ся неизменной, но при перемещении она
закрывает различные по величине площа¬
ди диэлектрика, изменяя тем самым ем¬
кость преобразователя.Измерение давления характеризуется
дополнительными требованиями, предъ¬
являемыми к емкостному преобразовате¬
лю:- максимальная чувствительность
при малом измерительном объеме преоб¬
разователя и малом изменении объема;- размеры, отвечающие поставленной
задаче (например, малые габариты);- механическая и химическая стой¬
кость;- нечувствительность по отношению
к другим параметрам, особенно к темпера¬
туре и влажности.Основной частью датчиков давления
является упругий элемент, деформируе¬
мый измеряемым давлением; лишь в по¬
рядке исключения используются иные
принципы, основанные на изменении маг¬
нитной проницаемости под давлением.
Чаще всего используемым упругим эле¬
ментом является мембрана, а для большей
чувствительности и малых давлений до
нескольких атмосфер используются силь-
фоны (рис. 8.8, а - в). Кроме этого исполь¬
зуются цилиндрические мембраны
ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ593f (рис. 8.8, г), а для больших давлений целе¬
сообразно применение в качестве чувстви¬
тельного элемента измерительных ЦИЛИН-дрОВ.Сравнительная оценка чувствитель¬
ности показывает, что наибольшей чувст¬
вительностью обладает сильфон, менее
: чувствительной является круглая мембра-
?на, а использование цилиндрической мем¬
браны уместно только в редких случаях. В
процессе проектирования не следует за¬
бывать и о том, что измерительным объе¬
мом датчика являются, например, полости
его подводящих трубок, которые нельзя
встроить в исследуемое пространство так,
чтобы они его ограничивали как естест¬
венная стенка. У одних датчиков это обу¬
словлено температурными соображения-
ми, у других - большим диаметром.Измерение температуры. Воздуш¬
ный конденсатор с емкостью, зависящей
от температуры, можно сконструировать с
применением биметалла. Одна пластина
неподвижна, другая (из биметалла) под¬
вижная и при изменениях температуры
удаляется от неподвижной пластины.
Электрическая емкость такого конденса¬
тора (рис. 8.9) зависит от температуры 0
согласно формуле:Q ЗАуоАбсолютное значение изменения
электрической емкости равно:ДС = _К=Хгде / - длина электрода; Ъ - ширина элек¬
трода; h - толщина биметалла; к - удель¬
ный прогиб полоски; у0 - начальный зазор
между электродами, С0 - начальная ем-
j кость.г Такая форма преобразователя имеет
преимущество благодаря малым размерам,
но емкость конденсатора очень мала и для
Целей измерения подходит мало. В основ¬
ном такой конденсатор предназначен дляРис. 8.9. Конденсатор с биметаллической
пластиной, электрическая емкость которого
зависит от температурыподстройки колебательных контуров. Для
измерения температуры более целесооб¬
разной является конструкция конденсато¬
ра с обычными плоскими электродами,
один из которых укреплен на биметалле.
Постоянная времени этих конденсаторов
определяется свойствами биметалла, но
очень сильно зависит также от условий
работы, например от теплообмена с окру¬
жающим пространством под влиянием
конвективных потоков и т.п. Кроме этого,
обязательно необходимо исключить коле¬
бания подвижного электрода при толчках.Контроль параметров твердых
дисперсных (сыпучих) материалов до¬
пускает большую свободу в выборе кон¬
струкции, так как контролируемая среда
может принять любую форму в соответст¬
вии с применяемой конструкцией преоб¬
разователя. Чаще всего их выполняют в
виде сосуда, заполняемого контролируе¬
мой средой, или в виде преобразователя,
погружаемого в эту среду. Принцип дей¬
ствия этих приборов основан на определе¬
нии исследуемых характеристик состава и
структуры материала по его электриче¬
ским параметрам (диэлектрической про¬
ницаемости и коэффициенту диэлектриче¬
ских потерь). В процессе измерения необ¬
ходимо соблюдать два обязательных усло¬
вия - вынесение преобразователя и дис¬
танционное измерение его параметров, а
также применение мер по устранению
влияния контакта преобразователя с по¬
верхностью контролируемого объекта.Несколько типовых конструкций та¬
кого вида приведено на рис. 8.10. Контро¬
лируемыми параметрами в данном случае
являются степень дисперсности среды,
594Глава 8. ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЕ МЕТОДЫРис. 8.10. Емкостные преобразователи
для контроля сыпучих материалов:а-в- погружные; г - типа сосуда; д - типа
сосуда с прессовым устройством для
уплотнения пробы; 1 - низкопотенциальный
электрод; 2 - высокопотенциальный электрод;3 - изоляционное основаниефизико-механические параметры частиц
(например, их состав, влажность), состав
полидисперсных сред. Погружные преоб¬
разователи (зонды) (рис. 8.10, а - в) пред¬
назначены для введения в массу материала
и проведения разовых измерений или не¬
прерывного контроля без отбора пробы.
Их форма (ножевидная, с конусным нако¬
нечником и т.п.) облегчает введение в ма¬
териал. Произвольная засыпка сыпучего
материала в сосуд устраняет необходи¬
мость во взвешивании образца при его
дозировке по объему. При этом преобра¬
зователь заполняют до определенной вы¬
соты, превышающей высоту обкладок
(рис. 8.10, г).Основным недостатком рассмотрен¬
ных способов реализации метода контроля
параметров сыпучих материалов является
различная степень уплотнения материаламежду электродами, сильно влияющ&ща
электрические характеристики материала
Этого недостатка лишена конструкция на
рис. 8.10, д, однако здесь возникает воз¬
можность забивания корпуса преобразова¬
теля из-за излишнего уплотнения^изме¬
ряемого материала. Наиболее широкое
применение датчики с самоуплотрением
нашли в диэлькометрических влагомерах
для зернистых материалов. {Измерение уровня. Емкостный метод
широко применяют для измерения уровня
порошкообразных пищевых продуктов,
зерна, стирального порошка, песка* цет
> мента, извести и угольной пыли в буцке-
рах и хранилищах; мазута, топлива, воды,
кислот, щелочей и вязких материалов р
баках. Емкостные уровнемеры используют
как для сигнализации предельных значе¬
ний, так и для непрерывного измерения.
Точность измерения при условии .одно¬
родности материалов составляет 2 ... 3 %,
Однако метод является непригодным для
измерения смеси жидкости с твердыми
частицами, имеющими другую диэлерри*
ческую проницаемость, так как эта вели¬
чина должна оставаться постоянной., Его
нельзя применять также в условиях коле¬
бания влагосодержания и изменения cocgY
ношения компонентов смеси. Само назва¬
ние метода предполагает измерение элек¬
трической емкости в зависимости от уров¬
ня наполнения, т.е. она изменяется'* в
зависимости от повышения или пони¬
жения уровня заполнения. ’ ^
Для точного измерения решающую
роль играют конструкция, изоляция и пра¬
вильное размещение емкостных электро¬
дов. Необходимо учесть следующие фак¬
торы: изоляцию зонда, форму резервуара,
давление в резервуаре, температуру и вяз¬
кость материала заполнения, его зерни!
стость, абразивность, химическую актив:
ность, образование конденсата и пены.Измерительный зонд в зависимости
от требуемой длины выполняют из npoBQt
лочного тросика, металлического стержня
или трубки. Если материал заполнения
резервуара обладает электропроводностью
ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ5951дй подвержен коррозии, измерительный
юнд необходимо покрыть слоем соответ¬
ствующей изоляции, например, слоем
|бонита, стекла, поливинилхлорида или
»угих синтетических материалов.На рис. 8.11, а показано расположе-
ие различных измерительных электродов
емкостного метода измерения уровня,
ли стенка резервуара выполнена из
лектропроводящего материала, то в него
-ожно встроить электрод 7, 3 или 4, а
стенку резервуара соединить с землей.
|сли резервуар изготовлен из неметалли¬
ческого материала, то следует установить
либо трубчатый электрод 2 с наружным и
внутренним электродами, либо снабдить
электроды 1, 3 и 4 дополнительным про¬
тивоположным электродом 5 или метал¬
лической лентой 6 и соединить с землей.На рис. 8.11, б показано расположе¬
ние различных измерительных электродов
для емкостного метода определения пре¬
дельного уровня. Здесь измерительный
зонд должен передавать на пульт управле¬
ния максимальное изменение емкости при
данной высоте заполнения, поэтому тре¬
буется не линейное изменение емкости по
всей высоте, а ее резкое изменение при
достижении предельного уровня. Стерж¬
невой электрод 3 встроен сбоку с накло¬
ном вниз, как правило, около 70°, чтобы
предотвратить налипание насыпного ма¬
териала. Плоский или пластинчатый элек¬
трод 8, устанавливаемый на уровне внут¬
ренней стенки резервуара, применяется
лишь в том случае, если встроенные части
не помешают работе, например, мешалок
или смесительных шнеков. Если резервуар
выполнен из диэлектрического материала,
необходимо предусмотреть дополнитель¬
ный противоположный электрод.В других конструкциях уровнемеров
используют цилиндрический конденсатор,
который своим открытым концом погру¬
жается вертикально в жидкость и частич¬
но заполняется ею. Измерение в данном
случае основано на изменении диэлектри¬
ческой проницаемости. Примером может8(Dё8а)'iAРис. 8.11. Расположение электродов
для емкостного метода измерения:а - определение уровня; б - определение
предельного уровня; 7 - частично или полно¬
стью изолированный электрод; 2 - трубчатый
электрод; 3,4- электроды в виде тросиков;5 - электрод противоположного знака;б - металлическая лента; 7 - стержневой
электрод; 8 - плоский или пластинчатый
электродслужить емкостный уровнемер (рис. 8.12)
для непроводящей жидкости, образован¬
ный двумя параллельными цилиндриче¬
скими электродами, погруженными в кон¬
тролируемую жидкость.Если уровень жидкости поднимается,
то воздух, являющийся диэлектриком это¬
го конденсатора, заменяется другим ди¬
электриком, например бензином. Диэлек¬
трическая проницаемость бензина больше
диэлектрической проницаемости воздуха,
поэтому емкость конденсатора увеличива¬
ется. При этом изменяющаяся емкость
конденсатора является линейной функци¬
ей высоты уровня в сосуде.Контроль схватывания цемента
также проводят с помощью емкостногоРис. 8.12. Емкостный коаксиальный
уровнемер
596Глава 8. ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЕ МЕТОДЫРис. 8.13. Схема устройства для
определения времени схватывания цементаметода. Поскольку электрические свой¬
ства цемента во время схватывания изме¬
няются одновременно с механическими,
то посредством простого приспособления
можно контролировать время схватывания
(рис. 8.13). Конденсатор образован ди¬
электрической трубкой с диаметром
D = 15 мм, заполненной исследуемым це¬
ментом. На трубку надеты надеты кольце¬
вые электроды (расстояние d между ними
равно от 5 до 36 мм, ширина электродов
/ = 20 мм и толщина g стенки трубки
0,4 мм). Электроды медные и подвижные,
чтобы можно было найти оптимальную
величину емкости. Измерение электриче¬
ской емкости между электродами показы¬
вает связь механических свойств с элек¬
трическими: в конце схватывания ком¬
плексная проводимость конденсатора дос¬
тигает максимума. Абсолютная величина
емкости здесь не имеет значения, важен
факт достижения ею максимума.8.4.2. Измерительные цепи
емкостных преобразователейВ качестве измерительных цепей в
емкостных преобразователях применяют¬
ся делители напряжения, мостовые схемы,
колебательные контуры и автогенераторы.
Поскольку сигналы, снимаемые с емкост¬
ных преобразователей, малы, то измери¬
тельные цепи обязательно содержат уси¬
лители.Емкостные преобразователи в цепь
делителя напряжения включаются р^дко
так как зависимости их выходных дара-
метров от измеряемых величин оЙычно
нелинейны. Кроме того, схема делителя
напряжения имеет нелинейную функцию
преобразования. < * ?Измерительные мостовые схемы
применяются, как правило, на низких час¬
тотах. Обычно емкостные преобразовате¬
ли имеют небольшую рабочую емкостьV.’ ^ *■поэтому их сопротивление на указанных
частотах велико. Это затрудняет реализа¬
цию мостовой схемы измерения.Наиболее приемлемым методом из¬
мерения емкости при реализации электро-
емкостных методов НК является резо¬
нансный метод, поскольку, обладая не¬
большой емкостью, измерительные пре¬
образователи имеют относительно высо¬
кую добротность. При включении емкост-
ного преобразователя в колебательный
контур о значении измеряемой величины
можно судить по резонансной частоте
контура, а о добротности конденсатора^
по добротности контура. Резонансная час¬
тота контура с емкостным преобразовате¬
лем равна v\/о -12 ny]L(C + CK)'М:где L - индуктивность контура; Ск - соб¬
ственная емкость контура с учетом емко-,
сти катушки. VВ частности, измерители диэлектри¬
ческих характеристик (диэлектрической
проницаемости и тангенса угла потерь)
основаны на измерении параметров вы¬
носного резонансного контура, в который
включен емкостный преобразователь. Час¬
тота колебаний и напряжение контура
автоматически поддерживаются постоян^
ными. Диэлектрическая проницаемость.И
тангенс угла потерь материала при этом
определяются через изменение электриче¬
ской емкости АС: / *
ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ597С + ДС=-tgSM =АС2я/0(С+ДС)'При проектировании емкостных пре¬
образователей следует обращать внимание
на экранирование проводов, выбор изоля¬
ции электродов и частоты питания. Чем
выше эта частота, тем меньше выходное
сопротивление, поэтому нередко частоту
питания выбирают большой (до несколь¬
ких МГц). Допустимые значения напря¬
жения питания емкостных преобразовате¬
лей достаточно велики и ограничиваютсяне возможностями преобразователя, а ус¬
ловиями реализации измерительной цепи.Основной трудностью построения
измерительных цепей является защита их
от наводок. Для этих целей как сами пре¬
образователи, так и все соединительные
линии тщательно экранируются, что, од¬
нако, при неудачном выборе точки при¬
соединения экрана может вызвать падение
чувствительности преобразователя и при¬
вести к образованию паразитных конту¬
ров.
Глава 9ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ9.1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ЯВЛЕНИЯК термоэлектрическим явлениям
принято относить группу физических яв¬
лений (Зеебека, Пельтье и Томсона), обу¬
словленных существованием взаимосвязи
между тепловыми и электрическими про¬
цессами в проводящих материалах.Явление термоэлектричества открыто
немецким физиком Томасом Иоганном
Зеебеком, который в 1821 г. установил,
что в замкнутом контуре (рис. 9.1), со¬
стоящем из двух разнородных металлов а
и Ъ (эксперимент проводился с медью и
висмутом), протекает электрический ток,
если в точках контактов (спаев) этих ме¬
таллов поддерживаются различные темпе¬
ратуры 01 и 02. Впоследствии было уста¬
новлено, что электрический ток в такой
цепи создается действием термоэлектро¬
движущей силы (термоЭДС) £^(01>02).Каждому проводящему материалу
соответствует определенный электриче¬
ский потенциал ф, значение которого за¬
висит от свойств материала и температу¬
ры. Поэтому при соединении двух разно¬
родных проводников в точке контакта соз¬
дается контактная разность потенциалов
ЕаЬ = (фа - ф6), обусловленная различной
концентрацией носителей зарядов. Так как
0, * 02, то (фо1 -ф41) * (фд2 -Ф42.)и ре-
зультирующая разность потенциалов, на¬
зываемая термоЭДС материала провод¬
ника а относительно материала проводни¬
ка Ъ, определяется выражением:Еаь(®х, 02 ) = (фя1 “ Фы ) “ (фя2 “ Фб2 ) =~ Eab(&{) — Eab(&2 )*Явление возникновения термоЭДС в
цепи из разнородных проводящих мате¬риалов при условии, что температуры в
местах контактов различны, получило на¬
звание эффекта Зеебека. Очевидно, что
при 0! = 02 термоЭДС £^(01>02) равнанулю. Зависимость термоЭДС от разности
температур А0 = (02 - 0i) в общем случае
нелинейна и является функцией темпера¬
тур 0! и 02: ^(0,,02) = А®ь 02). На
рис. 9.2 приведен вид зависимостей
ЕаЬ(®х) = А®г) при ДВУХ постоянных зна¬
чениях температуры 0! = 0ц и 0j = 012.
Из рисунка видно, что одной и той же раз¬
ности температур А0 при различных зна¬
чениях 01 соответствуют разные значения
термоЭДС Еаф2у Величину>аЬЭ2дЕ,аЪд0обычно называют дифференциальной
термоЭДС пары металлов аЪ или термо¬
электрической способностью материала
а относительно материала Ъ. Значение Sab
также зависит от температуры 01. Зависи-
мость ЕаЬ{в[) Sab{&i) (©! - ©2) = Sa4(0i )Д0является практически линейной лишь в
небольшом интервале температур. Если
известна зависимость £^(01) = /(®г)’ 10значение термоЭДС определяется выра¬
жением:07Е.аЬ(вО~ |^(01Для расчетов дифференциальной
термоЭДС пары металлов удобно один из
проводников заменить идеальным про¬
водником, у которого электрический по¬
тенциал не зависит от температуры и тож¬
дественно равен нулю. Таким свойством
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ5999.1. Абсолютная термоЭДС чистого свинца,
по данным Кристиана (5К) и Робертса (5Р)0, кS'K, мкВ/К ■Sp, мкВ/К1 “ '
©,К5К, мкВ/КSp, мкВ/К7,25-0,204-0,20440,0-0,764-0,5757,5-0,221-0,22042,0-0,766-0,5648,0-0,257-0,22644,0-0,768-0,5558,5-0,297-0,29846,0-0,770-0,5489,0-0,343-0,34348,0-0,772-0,5429,5-0,390-0,38850,0-0,774-0,53710,0-0,434-0,43355,0-0,777-0,53010,5-0,475-0,47660,0-0,779-0,52711,0-0,516-0,51765,0-0,782-0,52811,5-0,556-0,55670,0-0,784-0,53112,0-0,593-0,59380,0-0,794-0,54412,5-0,628-0,62790,0-0,824-0,56213,0-0,658-0,657100,0-0,865-0,58313,5-0,683-0,684110,0-0,899-0,60614,0-0,706-0,707120,0-0,927-0,63114,5-0,728-0,728130,0-0,952-0,65615,0-0,746-0,745140,0-0,980-0,68215,5-0,760-0,759150,0-1,010-0,70816,0-0,771-0,770160,0-1,034-0,73416,5-0,777-0,777170,0-1,054-0,76017,0-0,781-0,782180,0-1,075-0,78518,0-0,785-0,786190,0-1,098-0,81019,0-0,785-0,784200,0-1,120-0,83420,0-0,784-0,779210,0-1,143-0,85821,0-0,783-0,771220,0-1,161-0,88222,0-0,782-0,760230,0-1,175-0,90423,0-0,781-0,748240,0-1,191-0,92724,0-0,780-0,735250,0-1,205-0,94825,0-0,779-0,721260,0-1,224-0,96926,0-0,778-0,707270,0-1,243-0,98927,0-0,777-0,694280,0-1,259-1,00928,0-0,776-0,681290,0-1,271-1,02829,0-0,775-0,669300,0--1,04730,0-0,774-0,657310,0--1,06532,0-0,772-0,636320,0--1,08434,0-0,770-0,617330,0--1,10136,0-0,768-0,601340,0--1,11938,0-0,766-0,587 |350,0--1,136
600Глава 9. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫРис. 9.1. Возникновение термоэлектрического
тока в контуре, состоящем из двух
разнородных материаловобладают сверхпроводники. Если соста¬
вить цепь из обычного проводника а и
сверхпроводника, то термоЭДС будет соз¬
даваться лишь проводником а: Еа = SaА©.
Величину Sa называют абсолютной тер¬
моЭДС, коэффициентом абсолютной тер¬
моЭДС, термоэлектрической чувствитель¬
ностью или термоэлектрической способ¬
ностью материала проводника а. В даль¬
нейшем описании используется термин
термоэлектрическая способность ма¬
териала.С помощью сверхпроводника Nb3Snбыла определена термоэлектрическая спо¬
собность свинца в диапазоне температур7 ... 18 К. В настоящее время известна
термоэлектрическая способность свинца в
диапазоне температур до 300 К, получен¬
ная по данным о термоЭДС термопары:
Pb-Ag-normal (табл. 9.1).Термоэлектрическая способность
свинца является общепринятым стандар¬
том для определения термоэлектрическихРис. 9.2. Зависимость термоЭДС ЕаЬ от
температуры 0! при 0n = 012= const:1 — 0i = 0ц; 2 - 0J = 012способностей различных материалов-в
указанном диапазоне температур. .При
более высоких температурах такими
’’стандартами” могут служить медь и бла¬
городные металлы: серебро, золото, пла¬
тина. Общепринятым образцом сравнения
принята группа нормальных платиновых
термоэлектродов (ГНПТ).Введение понятия термоэлектриче¬
ской способности каждого из проводящих
материалов позволяет определить термо¬
электрическую способность пары находя¬
щихся в контакте материалов как разность
термоэлектрических способностей каждо¬
го из них Sab = Sa - Sb. В табл. 9.2 приве¬
дены значения термоЭДС различных ма¬
териалов относительно платины. ,9.2. Значения термоЭДС материалов (мВ) относительно платины
для различных температур в градусах шкалы МПТШ-68МатериалТемпература, К73173 373 473 6738731073 1273 1473 1673ЭлементыАлюминий0,450,060,421,062,845,15---Висмут-0,04-0,310,902,35-----Вольфрам0,43-0,151Д22,626,7012,2619,2527,7337,72-Германий-44,00-26,6233,972,482,343,9---—■л.Золото-0,21-0,390,781,844,638,1212,2617,05-Индий--0,69------
г.ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ601Продолжение табл. 9.2| МатериалТемпература, К731733734736738731073127314731673Иридий-0,25-0,350,651,493,556,109,1012,5716,4520,47(адмий-0,04-0,310,902,35------)(алий1,610,78--------Кальций---0,51-1,13------Кобальт---1,33-3,08-7,24-11,28-13,99-14,21--Кремний63,1337,17-41,56-80,57------Йитий-1,12-1,001,82-------Магний0,37-0,090,441,10------Медь-0,19-0,370,761,834,688,3412,8118,16--Молибден--1,453,197,5713,1319,8327,7436,96-Натрий1,00-0,29--------^икель2,281,12-1,48-3,10-5,45-7,04-9,83-12,11--Олово0,26-0,120,421,07------Палладий0,810,48-0,57-1,23-2,82-5,03-7,96-11,61-15,86-20,40Родий-0,20-0,340,701,613,916,7710,1414,0218,3922,99.Рубидий1,090,46--------| Ртуть---0,60-1,33------; Свинец0,24-0,130,441,09------Серебро-0,21-0,390,741,774,578,4113,33---Сурьма--4,8910,1420,5328,87----Таллий--0,581,30------Тантал0,21-0,100,330,932,915,9510,0215,1521,37-Торий---0,13-0,26-0,50-0,450,221,724,03-Углерод--0,701,543,726,7910,9816,46--Церий0,22-0,13--------Цинк-0,07-0,330,761,895,29-----Материалы для термопарАлюмель
(94 % Ni +
+2%А1+2% Si
+ 2 % Мп)
Хромель
(90 % Ni +.+10 % Сг)-2,391,29-1,29-2,17-3,64-5,28-7,07-8,78-10,33-3,36-2,202,815,9612,7519,6126,2032,4738,48-11,7244,04
602Глава 9. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫПродолжение табл. 9 2МатериалТемпература,К731733734736738731073127314731673Константан
(60 % Си +
+ 40 % Ni)5,352,98-3,51-7,45-16,19-25,46-34,81-43,85 Манганин
(84 % Си ++ 4 % Ni ++ 12 % Мп)
Нихром
(80 % Ni ++ 20 % Сг)
Ферронихром
(60% Ni++ 24 % Fe -Н
+ 16% Сг)
Бронза бе-
риллиевая
(98 % Си ++ 2 % Be)
Бронза фос¬
фористая
(85 % Си +
+ 13 % Sn +
+1,86 % Zn +
+ 0,16 % Pb +
+ 0,013 %Р)Сплавы0,611,140,850,670,551,552,622,011,261,344,256,255,004,193,507,8410,538,686,3015,4113,0320,8718,06Г,\-'■кг» -У\ Л'щ■У* ^■- ~ JПримечание. Температура свободных концов термопары 273 К. Положительный
знак термоЭДС металла соответствует току через спай термопары, идущему от плат^,
ны к этому металлу. , ;:уу;Эффект Пельтье (открыт в 1834 г.
французским часовщиком Жаном Шарлем
Анатаз Пельтье) заключается в том, что
при прохождении тока в цепи из двух раз¬
личных металлов в спае в зависимости от
направления тока выделяется или погло¬
щается тепловая энергия. Эффект Пель¬
тье считают обратным эффекту Зеебека.
На рис. 9.3 показана схема контура, со¬
стоящего из двух различных материалов,
позволяющая в зависимости от положенияпереключателя К наблюдать явления f3ee-
бека (7) и Пельтье (2). Теплота Пельтье
связана с силой тока линейной зависимо-
стью в отличие от теплоты Джоуля. В Це¬
пи, реализующей эффект Пельтье, pacxg^
дуется от источника тока мощность: <P = I2(Ra+Rb)±Pn,где (Ra + Rb) - суммарное сопротивление
проводников а и Ь, включая и сопротивле¬
ние их спая; Рп = ПаЬ1- мощность, связа^
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ603рая с эффектом Пельтье; П^ - коэффици¬
ент Пельтье для пары находящихся в кон-
(такте материалов а и Ъ\ I - ток, проходя-
|щий в цепи.I Абсолютное значение Рп зависит от
реличины тока и не зависит от его направ¬
ления. Поэтому при изменении направле¬
ния тока величина поглощаемой цепью
рощности изменяется на 2РП. Это обстоя¬
тельство позволяет определять мощность
шрп экспериментально. Мощность Рп не
|зависит от сопротивления спая проводни¬
ков, а определяется лишь природой мате¬
риалов этих проводников, т.е. абсолют¬
ным коэффициентом Пельтье для каждого
|из них: Паь - Па - П6. Абсолютные коэф-
|фициенты Пельтье можно определить так
I же, как и термоэлектрические способности
Iотдельных материалов, используя стан¬
дартные проводники.I Различают абсолютные коэффициен¬
ты Пельтье П, и Пе. П, - это коэффициент,
I определение которого должно проводить¬
ся в изотермических условиях (темпе-
Ipamypa исследуемого спая должна быть
I одинаковой при прямом и обратном на¬
правлениях тока). Постоянство темпера-
|туры следует обеспечивать при постоян¬
ном отношении плотностей электрическо¬
го тока и теплового потока, что связано с
| дополнительными экспериментальными
[трудностями. Гораздо проще осуществля-I ется измерение коэффициента Пельтье
|(Пе), при определении которого должны
| выполняться изоэлектрические условия
[{напряжение на спае должно быть оди¬
наковым при обоих направлениях тока).
[Измерение коэффициента Пе предпочти¬
тельнее, чем измерение термоэлектриче¬
ской способности S, так как величина Пеi стремится к постоянному значению по
; мере приближения температуры к абсо-
| лютному нулю, тогда как величина S приI тех же условиях стремится к нулю. Кроме
;Того, по чисто практическим причинам
измерение коэффициента Пе при низких
! температурах оказывается более точным.
|В дальнейшем, употребляя символ П при
[обозначении коэффициента Пельтье, бу-
: дем иметь в виду величину Пе.Рис. 9.3. Схема, позволяющая наблюдать
явления Зеебека и ПельтьеТермодинамический эффект Том¬
сона (открыт в 1856 г. английским физи¬
ком Уильямом Томсоном - лордом Кель¬
вином) заключается в том, что, если вдоль
проводника, по которому проходит элек¬
трический ток, существует перепад темпе¬
ратур, то кроме' джоулевой теплоты
Q = I2R в объеме проводника в зависимо¬
сти от направления тока выделяется или
поглощается еще некоторое количество
теплоты (теплота Томсона). В соответст¬
вии с формулой Томсона удельная мощ¬
ность, поглощаемая или выделяемая в
единице объема проводника, равна:Рт= pJ2-\iJ А®,где р - удельное сопротивление материала
проводника; J - плотность тока; А0 - пе¬
репад температуры, приходящийся на
единицу длины проводника; |i - коэффи¬
циент Томсона.Особенностью эффекта Томсона яв¬
ляется то, что, в отличие от явлений Зее¬
бека и Пельтье, наблюдаемых лишь для
двух разнородных проводников, он отно¬
сится к одному однородному проводнику,
поэтому коэффициент ц для любого про¬
водника может быть определен независи¬
мо. Однако ЭДС Томсона и дополнитель¬
ная тепловая мощность настолько малы,
что в практических расчетах ими обычно
пренебрегают.Томсон не только открыл третий
термоэлектрический эффект, но и создал
термодинамическую теорию термоэлек¬
трических явлений, в соответствии с кото¬
рой установил взаимосвязь между термо¬
электрическими коэффициентами S, П и ji
604Глава 9. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫс помощью простых уравнений, получив¬
ших название соотношений Кельвина:Если известна зависимость коэффи¬
циента Томсона от температуры, то, поль¬
зуясь соотношениями Кельвина, можно
рассчитать термоэлектрическую способ¬
ность материала S и его абсолютный ко¬
эффициент Пельтье П.С учетом вышеизложенного эффект
Зеебека считают суммарным эффектом,
обусловленным действием контактных
явлений и явления Томсона, а термоЭДС -
Eab(QlfQ2), возникающую в замкнутой це¬
пи, определяют из выражения:^ab(&l,&2) ~ ^ab(&2) ~02+ J (ца-ц6)<йЭ,©,®2гДе Eab(ei,e2)= J № - &)<*© - ЭДС Зее-бека; £„*(©,) и £аА(©2) - контактные ЭДС
для спаев проводников а и Ь, находящихсяпри температурах 01 и 02; -©1суммарная ЭДС Томсона в проводниках а
и Ь.9.2. ИЗМЕРЕНИЕ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ9.2.1. Общие положенияИсследование термоэлектрических
свойств различных материалов позволяет
получить новые сведения о внутренних
процессах, происходящих в самом мате¬
риале (о процессах взаимодействия элек¬
тронов с фононами, примесями и дефек¬
тами кристаллической решетки), о воз¬
можностях использования этих материа¬лов в термоэлектрической измерительной
технике и, наконец, о возможностях при-
менения термоэлектрических методов из¬
мерения для оценки качества этих мате¬
риалов и их идентификации.Количественными характеристиками
термоэлектрических свойств материалов
являются основные термоэлектрические
параметры: термоэлектрическая способ¬
ность материала S, коэффициенты
Пельтье П и Томсона ц. Наряду с этими
величинами существуют и другие термо¬
электрические параметры, представляю^
щие практический интерес, которые, хотя
и не дают дополнительной информации,
но иногда могут быть измерены легче, чем
основные. К таким параметрам относится,
например, коэффициент Пе, или величина*
обратная ему: Ge = 1/Пе.Основные термоэлектрические пара¬
метры взаимосвязаны соотношениями
Кельвина, а для параметра Ge применим
еще и закон Видемана-Франца: 'ЭдS/GeS = XoG,где X - электронная теплопроводность’;
а - электропроводность материала. .Следовательно, нет оснований для
предпочтительного отношения к какому-
либо одному термоэлектрическому пара;
метру для получения информации о ха^
рактеристиках твердого тела (например, о
его зонной структуре). Однако измерение
каждого из них удобнее проводить в опре¬
деленных температурных интервалах. ^Эффект Томсона относится непо¬
средственно к одному однородному Про¬
воднику, а соотношения Кельвина позво-J
ляют по температурной зависимости ко¬
эффициента Томсона рассчитать осталь-
ные термоэлектрические параметры мате¬
риала проводника, поэтому наиболее це^
лесообразным представляется измерение
именно коэффициентов Томсона. Однако
эта задача, особенно в области оченьг низ¬
ких температур, является сложной. /
Г ИЗМЕРЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ 6059.2.2. Измерение коэффициента
ТомсонаВпервые измерение температурной
зависимости коэффициента Томсона для
Свинца в диапазоне температур 20... 300 К
“было осуществлено в 1928 - 1932 гг. Бо-
|елиусом (схема установки приведена на
рис. 9.4).? Принцип измерения коэффициента
Томсона заключается в следующем:- через, исследуемый проволочный
образец АВ пропускается электрический
-ток;\ - температура концов образца под¬
держивается одинаковой;- на расстоянии ОС и 0D от середины
образца измеряются значения разности
температур, возникающей вследствие эф¬
фекта Томсона Д0Т , и разности темпера¬
тур, обусловленной выделением джоуле-
вой теплоты Ав^ (электрический ток,проходя по ОК, нагревает его централь¬
ную часть, при этом по обе стороны от
середины образца создаются температур¬
ные градиенты противоположного знака
вследствие выделения или поглощения
теплоты Томсона);- коэффициент Томсона рассчитыва¬
ется в соответствии с выражением:З^сеч фХ Д0Т
IУ А0Джгде X - теплопроводность материала об¬
разца; / - сила тока; SCQ4 - площадь попе¬
речного сечения проволоки; ф - корректи¬
рующий фактор для учета изменений со¬
противления образца и излучения теплоты
с его поверхности при изменении темпе¬
ратуры (максимальные отклонения ф от
единицы составляли -2,5 ... +1,8 %).Основную температуру проволочного
образца АВ в опытах Борелиуса измеряли
платиновым термометром сопротивления
R (около 20 витков платиновой проволоки
диаметром 0,05 мм, навитой на образец
вблизи его середины). Проволочный обра¬
зец был покрыт тонким слоем эмалеобра-Рис. 9.4. Экспериментальная установка
Борелиуса для измерения коэффициента
Томсоназующего лака для исключения электриче¬
ского контакта между образцом, термо¬
метром сопротивления и двумя измери¬
тельными платиново-константановыми
термопарами (Pt-Const), укрепленными на
образце с помощью шеллака.Для измерения А0дж коммутирую¬
щий переключатель устанавливался в по¬
ложение, при котором термопары оказы¬
вались включенными последовательно. В
холодном состоянии спаи термопар имели
температуру изолированного изотермиче¬
ского участка, выделенного на рис. 9.4
штриховой линией. Затем включали и вы¬
ключали ток / через образец. При прохож¬
дении тока в результате появления тепло¬
ты Томсона и Джоуля температуры в точ¬
ках С и D изменялись. Так как теплота
Томсона в этих точках имеет противопо¬
ложные знаки, то эти эффекты взаимно
компенсируют друг друга, в результате
чего ЭДС, измеряемая гальванометром G,
создается только за счет А0дж.Для измерения А0Т термопары со¬
единялись так, чтобы они были включены
навстречу друг другу. В этом случае ЭДС,
возникающие вследствие разности А0дж,
компенсируют друг друга, т.е. измеряется
ЭДС, соответствующая А0Т.Для проверки результатов измерений
использовалось выражение:
606Глава 9. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ9.3. Значения коэффициента Томсона для различных металловМеталл0, кц, мкВ/КМеталл0, к[1, мкВ/КAg105150300-0,10+0,55+1,31Ni100200260-4,5
“12,1
15,7 '*А1 (99 %)260300400+0,11-0,08-0,56Pb (99,99 %)120200400-О.».'*',;-0,45 ,,5V
-0,85Аи105150300+0,29+0,96+1,61Pd20100200300+1>9 1МЙ-7,8 ,
-12,1 .
-18,2 'CdГ373473+6,9 ;•
+7,3 •Pt203273393■—*
-9,6 v
-9Л ^
~9’2 \г*373473+8,2+8,7Со100200300-8,4-19,6-25,4Sn (99,99 %)100200300400+0,86
+0,42 '
-0,07
-0,45 .Си70170300-0,26+0,47+1,52Zn (мо¬
нокри¬
сталл)Г322,5398+1,6+4,6г*322,5398+4,1 v, :+8,8 \^yjСи +0,37% Аи20406090130+0,44+2,17+2,96+2,20+1,71W328■* |+8,5 ?i.,n300+2,33I Нейзильбер328-12,0 ^Fe (армко)323423523-15,3
-22,8
-26,3 1Константан323384446-24,6 -V
-25,5
-26,0 >*||- образец вырезан вдоль гексогональной оси кристалла (Томсон-эффект
вдоль образца).**_!_ - образец вырезан под углом 90° к гексогональной оси кристалла.измеряется ^“t ? \2Рассчитывалась дифференциальная
термоэлектрическая способность пары
электродов Cu-normal (S\) и Ag-normal
(S2) по измеренным значениям |ii и \л2. За¬
тем полученные расчетные значения (S2 -- S\) сравнивались с измеренной величи¬
ной (S2 - Si) той же термопары. Расхожде¬ние между расчетными и измеренными
значениями составило 10 %. В табл. 9.3
приведены значения коэффициентов Томсона
для различных металлов. : 3Сложность, трудоемкость, низкая
точность, а также принципиальная невоз¬
можность измерения коэффициентов Том;
сона для температур ниже 7,2 К приводах
к тому, что этот коэффициент чаще рас¬
считывается по результатам измерения
других термоэлектрических параметров. ^
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ 6079.2.3. Измерение термоэлектрической
г способности материалов* Сущность методов. Наиболее про¬
стым оказывается измерение термоэлек¬
трической способности материалов. Изме¬
рение коэффициентов S или П основано на
различии их величин для двух разнород¬
ных проводников. Для определения абсо¬
лютных значений этих коэффициентов
составляется термопара, одним из элек¬
тродов которой является сверхпроводя¬
щий материал, а другим - исследуемый.
Но сверхпроводящие свойства проявляют¬
ся при низких температурах, которые дос¬
таточно трудно реализовать в обычных
условиях, кроме того, использование
сверхпроводников не позволяет опреде¬
лять электрические параметры при высо¬
ких температурах. Поэтому для определе¬
ния абсолютных значений S и П контро¬
лируемых материалов вместо сверхпро¬
водника применяют стандартные материа¬
лы (свинец или благородные металлы),
термоэлектрические параметры которых
были определены Борелиусом и Кристиа-
ром в 1928 г. и 1958 г. соответственно.Дифференциальная термоэлектриче¬
ская способность или чувствительность
8аь термопары ab может быть определена
двумя способами: интегральным или
Ьифференциальным. В основу первого
способа положена зависимость:02а в основу второго:: ^ab(&l-,e2) _ с с е* d®~2 “^(02)“^(®2)•N. При интегральном методе темпера¬
туру 01 одного из спаев термопары под¬
держивают постоянной и измеряют тер¬
моЭДС в зависимости от температуры 02
Другого спая. Затем дифференцированием
полученных значений термоЭДС опреде¬
ляют значение Sab^Q ^. По известномузначению термоэлектрической способно¬
сти материала стандартного проводника
^а(02) вычисляют термоэлектрическуюспособность исследуемого материала:Sb(@2)=Sab{@2)-Sa(@2)-Дифференцирование осуществляют
либо графически, путем построения зави¬
симости термоЭДС £а£(©2) от значения02 и измерения наклона кривой при нуж¬
ных значениях температуры 02, либо чис¬
ленным методом.При дифференциальном методе ме¬
жду двумя спаями термопары создают
небольшую разность температур А0 =
= 02 - 01 и измеряют термоЭДС Еацд©).
Затем, оставляя величину А0 постоянной,
изменяют среднюю температуру 0ср =
= 0,5(01 + + ©2) и вновь измеряют Еа^у
В этом случае Sab= ^(д©/А0. Разность
температур А0 должна быть настолько
малой, чтобы в выбранном интервале тем¬
ператур величины Sb и Sa практически не
изменялись (характеристика S = Д0)
близка к линейной). В то же время значе¬
ние А0 не должно быть слишком малым,
чтобы возникающую термоЭДС можно
было измерить с требуемой точностью.Технические основы методов. Для
реализации интегрального метода требу¬
ется более простая аппаратура. Поддержа¬
ние постоянной температуры 01 одного из
спаев осуществляется путем размещения
его в криостате с жидким азотом или
гелием. Создание больших градиентов
температуры возможно лишь на образцах
достаточно большой протяженности, по¬
этому интегральный метод предпочти¬
тельнее использовать при контроле термо¬
электрической способности материалов,
которые могут быть изготовлены в виде
длинных проволок с поликристаллической
структурой. Для контроля образцов, раз¬
меры которых невелики, а также монокри-
сталлических образцов применяют диф¬
ференциальный метод.
608Глава 9. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫа) 6)Рис. 9.5. Криостат для измерения термоЭДС:а - дифференциальным методом;
б - интегральным методомК настоящему времени разработано
большое количество различных установок,
позволяющих реализовать как интеграль¬
ный, так и дифференциальный методы
измерения. В качестве примеров рассмот¬
рим ставшие уже классическими криоста¬
ты конструкций Генри и Шредера (для
интегрального метода) и Ров и Шредера
(для дифференциального метода).В установке Г енри и Шредера
(рис. 9.5, а) холодный спай 15 термопары,
составленной из контролируемого мате¬
риала 11 и свинца 12, намотанных на ба¬
келитовую катушку 13, погружают в сосуд
14 с жидким гелием (при 4,2 или 1,1 К при
его откачке) или жидким азотом. Уровень
охлаждающей жидкости достигает латун¬
ного стержня 10 и частично его закрывает.
Горячий спай 2 термопары прикрепляют
легкоплавким припоем к медному блоку 5,
в котором вмонтированы термометры со¬
противления: платиновый 3 и углеродный4 (платиновый используется при измере
ниях в интервале температур 12 ... Зоо к
а углеродный - >12 К). В последние годы
для измерений в интервале 1,5 ... 100 К
применяются германиевые термометры
сопротивления. Медный блок помещен в
медный цилиндр 6, благодаря чему нахо¬
дится в почти изотермических условиях ’
Этот цилиндр покрыт асбестом или дру. ;
гим теплоизоляционным материалом для •
снижения колебаний температуры, обу- !
словленных конвекционными потоками в
парах охлаждающей жидкости. Темпера¬
тура узла поддерживается на заданном
уровне с помощью нагревателя 9, прикре¬
пленного к основанию 8 медного цилинд¬
ра, путем регулирования тока нагревателя.
Температура горячего спая контролирует¬
ся терморезисторами 3 или 4. ; и ;К преимуществам описанной уста¬
новки относятся: простота, так как не тре¬
буется вакуумной системы (за исключени¬
ем случая, когда температура холодного
спая должна быть ниже 4,2 К, и необхо¬
дима откачка гелия); широкий интервал
рабочих температур; достаточно малая
погрешность измерения S (± 0,015 мкВ/К).Недостатками такого метода измере¬
ния является тенденция к "смазыванию”
резких изменений термоэлектрической
способности материала, что приводит „к
значительному увеличению числа точек в
области таких аномалий. Кроме того,
предполагается, что любые паразитные
термоЭДС, возникающие в термоэлектри¬
ческой цепи, либо постоянны, либо изме¬
няются так незначительно, что их влияни¬
ем на результаты измерений можно пре¬
небречь.Криостат, используемый для диффе¬
ренциального метода измерений (рис. 9*5,
б), может работать в таком же широком
диапазоне температур. Термопара состав¬
лена из свинца и исследуемого монокри?
сталла, на который навит нагреватель 4>
создающий вдоль образца небольшой пе*
репад температуры. Свинцовые проволоЧ:
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ6099.4. Термоэлектрическая способность некоторых металлов
в интервале температур 100 ... 2400 К (значения получены относительно РЪ)0,КСиAgS, мкВ/КАиPtPdWMo10015020027330040050060070080090010001100120013001400160018002000220024001,191,121,291,701.83
2,342.833.333.834.34
4,85
5,36
5,88
6,40
6,910,730,851.05
1,33
1,51
2,08
2,823.724.72
5,77
6,85
7,959.06
10,150,821,021,341,791,942,462,863,183,433,633.773.85
3,883.863.784,291,32-1,27-4,45-5,28-7,83-9,89-11,66-13,31-14,88-16,39-17,86-19,29-20,69-22,06-23,41-26,06-28,66-31,232,00-1,63-4,85-9,00-9,99-13,00-16,03-19,06-22,09-25,12-28,15-31,18-34,21-37,24-40,27^13,30-49,36-55,42-61,481,074,447.53
10,29
12,66
14,65
16,28
17,5718.53
19,1819.53
19,60
18,97
17,41
15,05
12,01
8,395,578.52
11,12
13,2714.94
16,13
16,86
17,16
17,08
16,65
15,9214.94
12,429.52
6,67
4,30
2,87ш присоединены к образцу в точках 1 и 2,
которые являются также точками касания
холодного и горячего спаев термопары
(Аи + Ре)-хромель, измеряющей перепад
температур. Другая такая же термопара
измеряет среднюю температуру образца в
точке 3, расположенной посредине между
'точками 1 и 2. Ее холодный спай погру¬
жен в охлаждающую жидкость. Для про¬
ведения измерений в области температурниже 4,2 К внешний стакан 8 убирают, а
температуру внутреннего стакана 7 и об¬
разца регулируют откачкой паров из крио¬
генной ванны 9. Для проведения измере¬
ний при температурах 4,2 ... 35 К про¬
странство между внутренним и внешним
стаканами заполняют газообразным гели¬
ем при контролируемом давлении. Этим
обеспечивается большой отток тепла к
ванне именно в той температурной зоне,
610Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯгде необходимо создать большой тепловой
поток для возникновения в кристалле гра¬
диента температуры, достаточного для
измерения термоЭДС При измерениях в
области температур выше 35 К простран¬
ство между стаканами вакуумируют Тем¬
пература образца поддерживается посто¬
янной автоматически с помощью элек¬
тронного регулятора силы тока в нагрева¬
телеВ установке применены цельные
свинцовые проволочки, которые пропу¬
щены через трубку, служащую для откач¬
ки, а затем выведены из криостата через
специальные уплотнения 6 из эпоксидной
смолы Такая конструкция позволяет све¬
сти к минимуму паразитные термоЭДС в
цепи исследуемой гермопары Влияние
паразитных термоЭДС можно исключить,
если для значений А0 0 0,5 К (вблизи
температуры 300 К) или 0 0,1 К (вблизи
4,2 К) построить зависимость ЕаЬ{Д0) ■=
= ДД0) Наклон полученной прямой ли¬
нии характеризует измеряемую диффе¬
ренциальную термоэлектрическую спо¬
собность термопары Баь, а паразитные
термоЭДС определяются величиной тер¬
моЭДС, которую эта линия отсекает на
оси Еац д©)В табл 9 4 приведены значения тер¬
моэлектрической способности различных
материалов9.2.4. Измерение абсолютных
коэффициентов ПельтьеДля определения абсолюшых коэф¬
фициентов Пельтье материалов обычно
используют метод Тродала, согласно ко¬
торому абсолютный коэффициент Пельтье
контролируемого материала Ylh вычисля¬
ется по известным значениям дифферен¬
циального коэффициента Паь и абсолют¬
ного коэффициента стандартного мате¬
риала ПаПг, = Uab + ПаУстановка Тродала для измерения
Паь, приведена на рис 9 6 Ее основу со¬
ставляет контакт двух металлов а, Ь, в ко¬Rв)Рис. 9.6. Установка Тродала для
измерения коэффициента Пельтьетором выделяется теплота Пельтье при
прохождении через него юка / В резуль¬
тате возникает разность температур(0! - 0о)п = Д0п = WQn,где W - термическое сопротивление меж¬
ду точкой контакта, находящейся при
температуре 0Ь и точкой с фиксирован¬
ной температурой 0О. Qn = T\abJ - теплота,
поглощаемая обратимо в единицу времени
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ 6119.5. Значения коэффициента Пельтье для различных пар металловЖелезо - константанМедь - никельСвинец - константан©,КП, мВ©,КП, мВ©,КП, мВ273132928,02938,7293153289,038311,84031947810,350816,0513265638,657818,7593346138,063320,68335271810,071323,4Примечание Медь - константан П = 11,0 мВ при 0 = 293 Кна единице площади поперечного сечения
контакта при плотности тока JТемпература в точке контакта зави¬
сит также и от джоулевой теплоты, влия¬
ние которой на результаты измерения ПаЬ
учитывается, как было показано в п 9 2 2,
при изменении направления тока через
контакт Кроме того, в ветвях термопары
ab выделяется еще и теплота, обусловлен¬
ная эффектом Томсона, которую можно
поддерживать достаточно малой величи¬
ной А® = А0П + А®дж Величина
Д®п = А®' + А®", где А®' и А®" - раз¬
ности температур, измеренные при пря¬
мом и обратном направлениях тока I Сис¬
тему калибруют при помощи сопротивле¬
ния R, расположенного в точке контакта
После определения величины А®п подачутока / через контакт прекращают и вклю¬
чают ток г, чтобы получить разность тем¬
ператур, как и в эффекте Пельтье А®п
Дифференциальный коэффициент Пельтье
определяют по формулеПаЬ = 12 R/IВ соответствии с данными Тродала,
наименьшее значение коэффициента
Пельтье, которое может быть измерено с
погрешностью 1 %, равноПтт= 100A©min( 12,59Lb)112,где A®min - минимальное значение разно¬
сти темперагур, Ьь - число Лоренца для
металла образца bПри этом предполагается, что металл
а находится в сверхпроводящем состоя¬
нии Для A®min « 10'7 К при температуре2 К значение Птт «6 10'9 ВУстановка для реализации двухкон¬
тактного метода Тродала (рис 9 6, б, в)
обеспечивает увеличение чувствительно¬
сти метода практически вдвое Она вклю¬
чает образец 1, припаянный своей середи¬
ной к медному держателю 2 Медные бло¬
ки с углеродными термосопротивлениями3 и 4 и калиброванными нагревательными
элементами г\ и г2 закреплены на поли-
кристаллическом образце с помощью
пружинных контактовВ случае монокрисгаллических об¬
разцов термосопротивления 3 и 4 при¬
клеиваются непосредственно к образцу
лаком, а угольные блоки с укрепленными
на них нагревательными элементами г\ и
г2 припаиваются к спаям исследуемой
термопары Вторым электродом, замы¬
кающим термоэлекгрическую цепь, явля¬
ется сверхпроводящий материал 5 Термо¬
сопротивления 3 и 4 включаются в мост
Уитстона переменного тока, разбаланс
которого фиксируется фазочувствитель¬
ным детектором (ФЧД1) Выходной сиг¬
нал ФЧД1 подается на второй фазочувст¬
612Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯвительный детектор (ФЧД2), настроенный
на частоту, с которой производится ревер¬
сирование тока, пропускаемого через ис¬
следуемый контакт Выходной сигнал
ФЧД2 пропорционален коэффициенту
ПельтьеВ табл 9 5 приведены значения ко¬
эффициента Пельтье для различных пар
металлов9.3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
ТЕРМОПАРАМИ9.3.1. Физические и теоретические
основыВпервые термоэлектричество для из¬
мерения температуры использовал Зеебек
Устройство, примененное им для этих
целей, получило название термопары.
Под термопарой понимают замкнутую
цепь из двух проводников, изготовленных
из материалов с разными термоэлектриче¬
скими способностямиУравнение термопары, характери¬
зующее суммарную термоЭДС термопа¬
ры, спаи которой находятся при различ¬
ных температурах 0] и 02, имеет вид'аЬ{в 2,0,)= е,где eab(@i) и еаЬ(@г) - термоЭДС пары,возникающие при переходе от проводника
а к проводнику b при соответствующих
температурах 0! и ©2Это выражение справедливо для иде¬
альной термопары, т е составленной дляс\I 30,1107^ XLV02 а)Рис. 9.7. Подключение измерительного
прибора:а - к свободным концам термопары,
б - в разрыв одного из термоэлектродовдвух идеально однородных по своим фи¬
зическим свойствам проводников Термо¬
ЭДС такой гермопары не зависит ни от
длины проводников, ни от площади их
сечения и удельных сопротивленийУказанные свойства гермопары по¬
зволяют использовать ее в качестве чув¬
ствительного элемента термоэлектриче¬
ского термометра При измерении темпе¬
ратуры один из контактов термопары по¬
мещают в среду с постоянной температу¬
рой 0i, а второй - в среду с измеряемой
температурой 02 Таким образом, при по¬
стоянстве температуры 0t термоЭДС тер¬
мопары становится однозначной функци¬
ей измеряемой температуры 02Концы проводников термопары, на¬
ходящиеся при фиксированной темпера¬
туре 0ь называют свободными концами
термопары, а спай других концов про¬
водников, помещаемый в среду с изме¬
ряемой температурой 02, - рабочим кон-
цом термопары.Прибор для измерения термоЭДС,
развиваемой термопарой, обычно вклю¬
чают между ее свободными концами или в
разрыв одного из термоэлектродов В
большинстве случаев термопара может
быть значительно удалена от прибора,
поэтому прибор приходится подсоединять
к термопаре с помощью соединительных
проводников с\ и с2, как это показано на
рис 9 7 Проводники с\И с2 должны быть
однородными, поэтому часто используют
один проводник ci, в разрыв которого
включают измерительный прибор Про¬
вод, которым намотана катушка измери¬
тельного прибора, также включен в цепь
термопарыПри измерениях необходимо под¬
держивать одинаковую температуру в
местах подключения соединительных
проводников к электродам термопары и к
контактам измерительного прибора Под¬
ключение измерительного прибора с по¬
мощью вспомогательных проводников
или даже без них, когда свободные концы
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПАРАМИ6139.6. ТермоЭДС некоюрых материалов в паре с платинойМатериалТермоЭДС, мВМатериалТермоЭДС, мВКремний+44,80Ртуть0,00Хромель+2,40Палладий-0,57Нихром+2,20Цинк-0,75Железо+1,80Никель-1,9 -1,2Вольфрам+0,80Алюмель-1,7Медь+0,76Константан-3,4Золото+0,75Копель-4,5Платинородий
(10 % родия)+0,64Висмут-7,7 -5,2Г рафит+0,32Молибденит-104 -69термопары непосредственно присоединя¬
ются к клеммам прибора, приводит к то¬
му, что измерительная замкнутая цепь
оказывается составленной из трех или да¬
же четырех (четвертым является провод d
измерительной катушки прибора) после¬
довательно включенных разнородных
проводников а, Ь, си d При этом считаем,
что рабочий спай термопары ab находит¬
ся при температуре 02, а проводники с и d,
как свободные концы термопары, - при
температуре 0]Суммарная термоЭДС E^ahcd) такойцепи складывается из термоЭДС, возни¬
кающих в местах контактов каждой пары
проводников, и определяется следующим
выражениемE(abcd) =eab(&2) +^/е(©,) +ecd(Q]) ++ edc(©l) +еса(в1)На основании закона Вольта для рас¬
сматриваемой цепи, все точки которойнаходятся при температуре 01} можно за¬
писатьеЬс(вi) =~еаЬ{®1) ~eca(Q{) ~ecd(Ql) ”*Жг(0,)ТогдаЕ(abed) ~eab{®2) ~~еаЬ(®1) ~ == $ab(®2 - ®l)Полученное выражение показывает,
что термоЭДС рассматриваемой замкну¬
той цепи не зависит от проводников с и
если места их соединения находятся при
одинаковой температуре, и определятся
лишь дифференциальной термоэлектриче¬
ской способностью основной термопары
Sab и разностью температур на ее концах(02-00Таким образом, промежуточные про¬
водники с одинаковыми температурами в
местах их соединений независимо от
термоэлектрических свойств не оказывают
влияния на значение общей термоЭДС,
равной термоЭДС основной термопары
614Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯЕсли температуры в местах соедине¬
ния разнородных проводников в цепи
термопары не равны, то это приводит к
значительным изменениям суммарной
термоЭДС, которые учесть практически
невозможноВ соответствии с законом Вольта для
замкнутой цепи, составленной из трех
проводников а, b и п , точки соединения
которых находятся при одинаковой тем¬
пературе 0i, выражение для еаь(в) имеет
вид^ab(&) ~ ^ап{&) ~^Ьп(&)Это выражение позволяет определить
термоЭДС любой термопары аЪ при из¬
вестных термоЭДС других термопар, об¬
разованных каждым из термоэлектродов
а и Ъ с базовым термоэлектродом п В
качестве базового или нормального тер¬
моэлектрода, по отношению к которому
определяется термоЭДС других материа¬
лов, принят платиновый термоэлектрод В
справочной литературе приводятся значе¬
ния термоЭДС, развиваемых наиболее
распространенными термоэлектродными
материалами в паре с платиной при тем¬
пературе рабочего спая 02 = 100 °С и тем¬
пературе свободных концов 0! = 0 °С В
табл 9 6 приведены примеры этих значе¬
нийПриведенные данные позволяют оп¬
ределить термоЭДС любой термопары,
составленной из указанных термоэлектро¬
дов, как алгебраическую разность термо¬
ЭДС, развиваемых соо1ветствующими
термоэлектродами в паре с платиной На¬
пример, для термопары, составленной иззолотой и железной проволок, термоЭДС
определяется выражением^Au,Fe — ^Au,Pt — ^Fe,Pt —= 0,75-1,80 = -1,05 [мВ]Данные таблицы нельзя распростра¬
нять на более высокие температуры, так
как зависимость термоЭДС от температу¬
ры в широком диапазоне температур
обычно нелинейная Кроме того, термо¬
ЭДС в значительной степени зависят от
малейших примесей в материалах и мето¬
дов обработки термоэлектродовДля практического использования
термопар зависимости их термоЭДС от
температуры в заданном интервале опре¬
деляют экспериментально, так как теоре¬
тически невозможно с требуемой точно¬
стью рассчитать термоЭДС термопар по
приведенным выше формулам, если не
известна зависимость их дифференциаль¬
ной термоэлектрической способности $аЪот температуры Для сравнения между
собой, а также для определения измеряе¬
мой температуры эти зависимости относят
к одной и той же стандартной температуре
свободных концов (0О = 0 °С)Экспериментально полученные зави¬
симости термоЭДС термопар от темпера¬
туры при условии равенства нулю темпе¬
ратуры свободных концов называют гра¬
дуировочными характеристиками. В
табл 9 7 в сокращенном объеме приведе¬
ны значения эксплуатационных характе¬
ристик, а в табл 9 8 - 9 18 - градуировоч¬
ные характеристики термопар основных
типов9.7. Значения эксплуатационных характеристик термопарТермопараРабочий интер¬
вал температу¬
ры*, КМаксимальная
термоЭДС, мВПогрешность,КРабочая средаСи-Си-Константан
Аи+ 1,9 % Со10 670(870)
2 27021 (34,3)
10,20,1 5
0,1 1,5Окислительная,
воздух до 470 К
Окислительная,
воздух
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПАРАМИ615Продолжение табл 9 7ТермопараРабочий интер¬
вал температу¬
ры*, КМаксимальная
термоЭДС, мВПогрешность,КРабочая средаХромель - Аи +
+ 1,9% Со227013,80,11,5То жеСи - Аи + 0,07 % Fe22701,70,050,3»Хромель - Аи +
+ 0,07 % Fe22705,20,050,3»Си - Копель203206,10,15»Fe - Константан70 1000
(1500)41 (70)0,53Окислительная
до 1000 К, ней¬
тральнаяPt-Pt+ 10% Rh270 1570
(1870)13 (16,6)0,56ОкислительнаяPt + 6 % Ph - Pt +
+ 30 % Rh570 1870
(2070)11(14)0,57»Хромель - Копель220 870
(1070)49 (66)13Окислительная,нейтральнаяХромель - Алюмель220 1270
(1570)41 (52)410То жеW + 5% Re - W +
+ 20% Re270 2070
(2770)27 (33,6)830Вакуум, инерт¬
ная, слабовосста¬
новительнаяНикель - Нихром250150049110ОкислительнаяНихросил - Нисил20157047,5<10Окислительная,воздухIr - Ir + 60 % Rh500240011,61022Вакуум, окисли¬
тельная, слабо-
восстановитель¬
наяW-Mo13003000910Вакуум, инерт¬
ная, восстанови¬тельная* В скобках указаны значения температур, до которых кратковременно можно при¬
менять термопары
9.8. Градуировочная таблица низкотемпературных термопар*Константан - СиАи +1,9 % Со - СиАи+1,9 % Со - ХромельАи + 0,07 % Fe - СиАи + 0,07 % Fe - Хромель0, КЕ, мкВdE/d®, мкВ/КЕ, мкВdE/d®,мкВ/КЕ, мкВdE/dQ, мкВ/КЕ. мкВdE/d®, мкВ/КЕ, мкВdE/d®, мкВ/К26029,25-0,10010263,0-2,81213813,0-2,8681729,9-10,8755262,7-11,0536029,00-0,41210259,7-3,71813809,5-3,9851718,6-11,6765251,2-12,0846028,43-0,71910255,5-4,60913805,0-5,0771706,6-12,385238,6-12,9756027,56-1,02310250,5-5,48613799,4-6,1441693,9-12,975225,3-13,7366026,39-1,32310244,6-6,34913792,7-7,1881680,7-13,485211,2-14,3876024,91-1,62010237,8-7,19713785,0-8,2101667,0-13,905196,5-14,9386023,15-1,91310230,2-8,03113776,3-9,2091652,9-14,235181,4-15,3996021,09-2,20310221,7-8,84913766,6-10,191638,5-14,485165,8-15,77106018,7-2,48910212,5-9,65313755,9-11,141624,0-14,675149,8-16,08126013,2-3,05110191,6-11,2213731,8-13,001594,4-14,865117,2-16,52146006,6-3,59910167,6-12,7213704,0-14,771564,7-14,855083,9-16,77165998,8-4,13410140,7-14,1713672,7-16,471535,1-14,705050,2-16,88185990,0-4,65710111,0-15,5613638,2-18,101505,9-14,455016,4-16,90205980,2-5,16610078,6-16,8913600,4-19,671477,3-14,144982,6-16,85225969,4-5,66310043,5-18,1613559,5-21,171449,4-13,814949,0-16,77245957,6-6,14910006,0-19,3813515,7-22,621422,1-13,474915,6-16,67265944,8-6,6229966,0-20,5513469,1-24,001395,5-13,164882,4-16,56285931,1-7,0849923,8-21,6613419,8-25,341369,5-12,874849,3-16,46305916,5-7,5359879,4-22,7213367,8-26,621344,0-12,594816,5-16,37325900,9-7,9759833,0-23,7313313,3-27,851319,1-12,314783,9-16,30345884,6-8,4059784,5-24,6913256,4-29,041294,8-12,054751,3-16,25365867,3-8,8249734,2-25,6113197,2-30,181270,9-11,804718,9-16,22385849,3-9,2349682,1-26,4813135,7-31,281247,6-11,554686,4-16,20405830,4-9,6349628,3-27,3113072,1-32,341224,7-11,324654,0-16,21455779,8-10.609486,9-29,2112904,1-34,821169,5-10,774572,8-16,28505724,5-11,509336,6-30,8712724,3-37,091116,9-10,284491,1-16,43616 Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Продолжение табл 9 80,ККонстантан - СиАи+ 1,9 % Со-СиАи + 1,9 % Со - ХромельАи + 0,07 % Fe - СиАи + 0,07 % Fe - ХромельЕ, мкВdE/d®, мкВ/КЕ, мкВdE/d©, мкВ/tЕ, мкВdE/dQ, mkB/FЕ, мкВdE/d®, мкВ/КЕ, мкВdE/dQ, мкВ/К555664,8-12,379178,6-32,3312533,5-39,171066,7-9,8194408,5-16,62605601,0-13,189013,7-33,6112332,9-41,061018,6-9,3994324,8-16,86655533,1-13,968842,8-34,7312123,2-42,81972,62-9,0084239,9-17,08705461,4-14,718666,6-35,7111905,1-44,41928,37-8,6304153,8-17,34755386,0-15,438485,9-36,5811679,3-45,87886,12-8,2734066,4-17,60805307,1-16,128301,0-37,3511446,5-47,23845,60-7,9393977,8-17,84855224,8-16,798112,5-38,0411207,2-48,47806,70-7,6243888,0-18,06905139,2-17,447920,7-38,6510962,0-49,62769,33-7,3283797,2-18,27955050,4-18,087726,1-39,2110711,2-50,67733,39-7,0483705,4-18,461004958,4-18,717528,8-39,7110455,4-51,65698,82-6,7833612,6-18,651104765,2-19,937127,2-40,589929,9-53,40633,48-6,2933424,3-19,011204559,9-21,136717,7-41,319388,2-54,91572,79-5,8513232,5-19,351304342,6-22,336301,3-41,938832,4-56,22516,31-5,4523037,4-19,671404113,4-23,515879,3-42,468264,3-57,39463,64-5,0902839,2-19,971503872,3-24,705452,5-42,907685,1-58,43414,41-4,7622638,0-20,261603619,4-25,885021,643,277096,1-59,36368,30-4,4642434,2-20,521703354,7-27,054587,2-43,596498,2-60,21325,64-4,1932227,8-20,751803078,4-28,214150,0-43,865892,2-60,97284,37-3,9442019,2-20,971902790,7-29,343710,1—44,105279,0-61,66246,10-3,7131808,5-21,162002491,8-30,433268,1-44,304659,3-62,27210,06-3,4971596,0-21,342102182,2-31,482824,3-44,464033,9-62,80176,12-3,2931381,7-21,522201862,3-32,502379,1-44,573403,5-63,26144,17-3,0991165,7-21,682301532,4-33,471933,0-44,632768,9-63,65114,10-2,918948,13-21,832401193,1-34,411486,6-44,642130,9-63,9685.76-2,754729,14-21,96250844,3-35,351040,2-44,651490,0-64,2058,93-2,619509,07-22,04260486,1-36,31593,3-44,76847,2-64,3633,24-2,529288,58-22,04270117,8-37,36143,8-45,24203,3-64,408,12-2,51068,87-21,882735,2-37,707,7-45,5110,1-64,38--3,37-21,79♦Температура свободных концов О °С, константан 59,9 % Си, 40 ± 1 % Ni, 0,5 ± 0,1 % Мп, хромель 90 91 % Ni, 9 10 % Сго\ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПАРАМИ
618Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ9.9. Стандартная градуировочная таблица термопары медь - копель0, °сПриращение температуры, °(0, °СПриращение температуры, °С0246802468-2006,154-----803,0653,1333,1993,2663,331-1905,9756,0126,0486,0846,119-702,7222,7922,8612,9302,998-1805,7815,8215,8605,8995,937-602,3672,4392,5102,5822,652-1705,5725,6155,6575,6995,740-502,0002,0742,1482,2222,295-1605,3495,3945,4405,4845,529-401,6221,6981,7741,8501,925-1505,1115,1595,2085,2555,302-301,2321,3111,3891,4671,545-1404,8594,9104,9615,0125,061-200,8320,9130,9931,0741,153-1304,5934,6474,7014,7544,807-100,4210,5040,5870,6690,751-1204,3134,3704,4274,4834,53800,0000,0850,1700,2540,338-1104,0214,0804,1394,1984,256-1003,7153,7773,8393,9003,961-903,3963,4613,5253,5893,652Примечание. Для аппроксимации зависимости термоЭДС Е, мкВ, от температуры 0, °С, в
области температур - 255 +50 °С предлагается полином е = \' а®‘ > гДе а\ ~ -42,65243 °С'1,а2 = -4,9538 10-2 °С'2, аъ = 4,9 10'5оС3ТермоЭДС, мВ, температура, °С (МПТШ-68), температура свободных концов 0 °С, допускае¬
мые отклонения АЕ = ±(1,3 1,1 1О"30) dE/d©, мВ, электроды медь электролитическая рафини¬
рованная чистотой 99,95 %, содержащая 0,02 0,07 % 02 и не более 0,01 % других примесей9.10. Градуировочная таблица термопары железо - константан0,Приращение температуры, °С°С0102030405060708090-200-7,890----------100-4,632-5,036-5,426-5,801-6,159-6,499-6,821-7,122-7,402-7,659-00,000-0,501-0,995-1,481-1,950-2,431-2,892-3,344-3,785-4,21500,0000,5071,0191,5362,0582,5853,1153,6494,1864,7251005,2685,8126,3596,9077,4578,0088,5609,1139,66710,22220010,77711,33211,88712,44212,99813,53314,10814,66315,21715,77130016,32516,87917,43217,98418,53719,08919,64020,19220,74321,29540021,84622,39722,94923,50124,05424,60725,16125,71626,27226,829
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПАРАМИ619Продолжение табл 9 100,Приращение температуры, ° С°С010203040506070809050027,38827,94928,51129,07529,64230,21030,78231,35331,93332,51360033,09633,68334,27334,86735,46436,05636,67137,28037,89338,51070039,13039,75440,38241,01341,64742,28342,92243,56344,20744,85280045,49846,14446,79047,43448,07648,71649,35449,98950,62151,24990051,87552,49653,11553,72954,34154,94855,55356,15556,75357,349100057,94258,53359,12155,70860,29360,87661,45962,03962,61963,199110063,77764,35564,93365,51066,08766,66467,24067,81568,39068,964120069,536---------Примечание. ТермоЭДС, мВ, температура, °С (МПТШ-68), температура свободных концов
О °С, константан 55 61 % Си, 45 39 % Ni с малыми добавками Mn, Fe и с примесями С, Si,
Со, Mg, железо технически чистое безуглеродистое, примеси 0,02 0,10 % С, не более
0,4 % Мп, не более 0,15 % Си, 0,005 0,02 % Si, S, Ni, Cr, Р9.11. Градуировочная таблица термопары медь - константан0,Приращение температуры, °С°С0102030405060708090-200-5,603----------100-3,378-3,656-3,923-4,177-4,419-4,648-4,865-5,069-5,261-5,439-00,000-0,383-0,757-1,121-1,475-1,819-2,152-2,475-2,788-3,08900,0000,3910,7891,1961,6112,0352,4672,9083,3573,8131004,2774,7495,2275,7126,2046,7027,2077,7188,2358,7572009,2869,82010,36010,90511,45612,01112,57213,13713,70714,28130014,86015,44316,03016,62117,21717,81618,42019,02719,63820,25240020,869---------Примечание. ТермоЭДС, мВ, температура, °С (МПТШ-68), температура свободных концов
0 °С, медь электролитическая рафинированная чистотой 99,95 %, содержащая 0,02 0,07 % 02 и
0,01 % примесей, константан 55 61 % Си, 45 39 % Ni с малыми добавками Mn, Fe и с приме¬
сями С, Si, Со, Mg
620Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ9.12. Стандартная градуировочная таблица термопары хромель - копельПриращение температуры, °С0102030405060708090-0-0,000-0,640-1,270-1,890-2,500-3,110----00,0000,6461,3031,9762,6583,3504,0504,7605,4696,1791006,8987,6278,3669,1159,86510,62411,39312,17212,96113,76020014,57015,38016,20017,03017,86018,69019,52020,36021,20022,04030022,88023,72024,56025,41026,27027,13028,00028,87029,74030,61040031,48032,35033,23034,11034,99035,87036,75037,63038,51039,39050040,27041,15042,03042,91043,79044,67045,55046,44047,33048,21060049,09049,97050,85051,73052,61053,48054,35055,22056,09056,96070057,82058,68059,54060,40061,26062,12062,98063,84064,70065,56080066,420---------Примечание. ТермоЭДС, мВ, температура, °С (МПТШ-68) температура свободных концов
0 °С, предел допускаемых отклонений 0,2 мВ при 0 < 300 °С и [0,2 + 6,0 1О'4(0 - 300)] мВ при
0 > 300 °С, электроды хромель НХ 9,5, копель МНМц 43 0,59.13. Стандартная градуировочная таблица термопары хромель - алюмельПриращение температуры, °С0102030405060708090-0-0,000-0,392-0,777-1,156-1,527-1,889————00,0000,3970,7981,2031,6112,0222,4362,8503,2663,6811004,0954,5084,9195,3275,7336,1376,5396,9397,3387,7372008,1378,5378,9389,3419,74510,15110,56010,96911,38111,79330012,20712,62313,03913,45613,87414,29214,71215,13215,55215,97440016,39516,81817,24117,66418,08818,51318,93819,36319,78820,21450020,64021,06621,49321,91922,34622,77223,19823,62424,05024,47660024,90225,32725,75126,17626,59927,02227,44527,86728,28828,70970029,12829,54729,96530,38330,79931,21431,62932,04232,45532,86680033,27733,68634,09534,50234,90935,31435,71836,12136,52436,92590037,32537,72438,12238,51938,91539,31039,70340,09640,48840,879100041,26941,65742,04542,43242,81743,20243,58543,96844,34944,729110045,10845,48645,86346,23846,61246,98547,35647,72648,09548,462120048,82849,19249,55549,91650,27650,63350,99051,34451,69752,049130052,398---------Примечание. ТермоЭДС, мВ, температура, °С (МПТШ-68), температура свободных концов
0 °С, предел допускаемых отклонений 0,16 мВ при 0 < 300 °С и [0,16 + 2,0 1О"4(0 - 300)] мВ при
0 > 300 °С, электроды хромель НХ 9,5, алюмель НМц АК 2-2-1
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПАРАМИ6219.14. Стандартная градуировочная таблица термопары Pt - Pt + 10 %Rh0, °сПриращение температуры,°С0, °СПриращение температуры, °С024680246800,0000,0110,0220,0330,0443402,6842,7022,7212,7392,758100,0560,0670,0780,0900,1013502,7772,7952,8142,8332,852200,1130,1250,1370,1490,1613602,8712,8892,9082,9272,946300,1730,1850,1970,2090,2213702,9652,9843,0033,0223,041400,2340,2470,2590,2720,2853803,0603,0793,0983,1173,136500,2970,3100,3240,3370,3503903,1553,1743,1933,2123,231600,3630,3770,3900,4040,4184003,2503,2693,2883,3073,326700,4310,4450,4590,4730,4874103,3453,3643,3833,4023,421800,5010,5150,5290,5430,5574203,4403,4593,4783,4983,517900,5720,5860,6010,6150,629'4303,5363,5553,5743,5943,6131000,6440,6580,6730,6880,7024403,6323,6513,6703,6903,7091100,7170,7320,7470,7620,7774503,7283,7483,7673,7873,8061200,7920,8070,8220,8380,8534603,8253,8443,8643,8833,9021300,8690,8840,9000,9160,9314703,9223,9423,9613,9814,0001400,9470,9620,9780,9941,0104804,0204,0404,0594,0794,0981501,0261,0421,0581,0741,0904904,1184,1384,1574,1774,1961601,1061,1221,1381,1541,1715004,2164,2364,2564,2754,2951701,1871,2031,2201,2361,2535104,3154,3354,3554,3744,3941801,2691,2861,3021,3191,3365204,4144,4344,4544,4744,4941901,3521,3691,3861,4021,4195304,5144,5344,5544,5744,5942001,4361,4531,4701,4871,5045404,6144,6344,6544,6744,6942101,5211,5381,5551,5721,5895504,7144,7344,7544,7744,7942201,6061,6231,6401,6581,6755604,8144,8344,8544,8744,8942301,6921,7101,7271,7441,7625704,9144,9344,9554,9754,9952401,7791,7971,8141,8321,8505805,0155,0355,0555,0765,0962501,8671,8851,9021,9201,9385905,1165,1365,1565,1765,1972601,9551,9731,9902,0082,0266005,2185,2385,2595,2795,3002702,0432,0612,0792,0972,1156105,3205,3405,3615,3815,4022802,1332,1512,1692,1872,2056205,4225,4425,4635,4845,5042902,2232,2412,2592,2772,2956305,5255,5465,5665,5575,6083002,3142,3322,3502,3692,3876405,6285,6495,6695,6905,711
622Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯПродолжение табл 9 140, °сПриращение температуры, °С0, °СПриращение температуры, °С02468024683102,4062,4242,4422,4612,4796505,7315,7525,7735,7935,8143202,4982,5162,5352,5532,5726605,8355,8565,8765,8975,9183302,5912,6092,6282,6462,6656705,9395,9605,9816,0016,0226806,0436,0646,0856,1066,127115011,30611,33011,35411,37811,4016906,1486,1696,1906,2116,232116011,42511,44911,47311,49711,5207006,2536,2746,2956,3166,337117011,54411,56811,59211,61611,6407106,3586,3796,4006,4216,442118011,66411,68811,71211,73611,7607206,4636,4846,5056,5266,547119011 78411,80811,83211,85611,8807306,5686,5896,6106,6326,653120011,90411,92811,95211,97612,0007406,6746,6956,7176,7386,759121012,02412,04812,07212,09612,1207506,7806,8026,8236,8446,866122012,14412,16812,19212,21612,2407606,8876,9096,9306,9516,973123012,26412,28812,31212,33612,3607706,9947,0167,0377,0587,080124012,38412,40812,43212,45612,4807807,1017,1237,1447,1667,188125012,50412,52812,55212,57612,6007907,2097,2317,2527,2747,296126012,62412,64812,67212,69612,7208007,3177,3397,3617,3837,405127012,74412,76812,79212,81612,8408107,4267,4487,4707,4927,514128012,86512,88912,91312,93712,9618207,5357,5577,5797,6017,623129012,98613,01013,03413,05813,0828307,6457,6677,6897,7117,733130013,10713,13113,15513,17913,2038407,7547,7767,7987,8207,842131013,22813,25213,27613,30013,3248507,8647,8867,9087,9307,952132013,34913,37313,39713,42113,4458607,9747,9968,0188,0408,062133013,47013,49413,51813,54213,5668708,0848,1068,1288,1508,172134013,59113,61513,63913,66313,6878808,1948,2168,2388,2608,282135013,71213,73613,76013,78413,8088908,3058,3278,3498,3718,393136013,83313,85713,88113,90513,9299008,4168,4388,4608,4828,504137013,95413,97814,00214,02614,0509108,5278,5498,5718,5948,616138014,07514,09914,12314,14714,1719208,6398,6618,6838,7068,728139014,19514,21914,24314,26714,2919308,7518,7738,7968,8188,841140014,31514,33914,36314,38714,4119408,8648,8878,9098,9328,955141014,43514,45914,48314,50714,5319508,9789,0019,0239,0469,069142014,55414,57814,60214,62614,650
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПАРАМИ623Продолжение табл 9 140, °cПриращение температуры, °C0, °CПриращение температуры, °C02468024689609,0929,1159,1379,1609,183143014,67414,69814,72214,74614,7709709,2069,2299,2519,2749 297144014,79414,81814,84214,86614,8909809,3209,3439,3669,3899,412145014,91414,93814,96214,98615,0109909,4359,4589,4819,5049,527146015,03415,05815,08215,10615,13010009,5509,5739,5969,6199,642147015,15415,17815,20215,22615,25010109,6659,6889,7119,7349,757148015,27315,29715,32115,34515,36910209,7809,8039,8269,8499,872149015,39215,41615,44015,46415,48710309,8959,9189,9419,9659,988150015,51115,53515,55915,58315,607104010,01110,03610,05810,08110,105151015,63015,65415,67815,70215,726105010,12810,15210,17510,19810,222152015,74915,77315,79615,82015,844106010,24510,26910,29210,31510,339153015,86715,89115,91415,93815,962107010,36210,38510,40910,43210,455154015,98516,00916,03216,05516,079108010,47910,50210,52610,54910,572155016,10216,12616,14916,17216,196109010,59610,62010,64310,66710,690156016,21916,24316,26616,28916,313110010,71410,73810,76110,78510,808157016,33616,36016,38316,40616,430111010,83210,85610,87910,90310,926158016,45316,47616,50016,52316,546112010,95010,97410,99711,02111,044159016,56916,59316,61616,63916,662113011,06811,09210,11611,14011,163160016,685----114011,18711,21111,23511,25911,282Примечание. ТермоЭДС, мВ, температура, °С (МПТШ-68), температура свободных концов
О °С, предел допускаемых отклонений 0,01 мВ при 0 < 300 °С и [0,01 + 2,5 10"5 (0 - 300)] мВ при
0 > 300 °С9.15. Стандартная градуировочная таблица термопары
Pt + 6 % Rh - Pt + 30 % Rh0, °CПриращение температуры, °C0510152025303340453000,4430,4590,4750,4910,5080,5250,5420,5590,5770,5953500,6130,6320,6500,6690,6880,7070,7270,7470,7670,7874000,8080,8290,8500,8710,8930,9150,9380,9600,9831,0064501,0291,0531,0761,1001,1241,1481,1731,1981,2231,2485001,2741,2991,3251,3511,3771,4031,4301,4571,4841,512
624Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯПродолжение табл 915Приращение температуры, °С0510152025303340455501,5401,5681,5961,6251,6531,6821,7101,7401,7701,8006001,8301,8601,8911,9221,9531,9842,0152,0462,0782,1106502,1422,1742,2072,2392,2722,3052,3392,3732,4072,4417002,4762,5112,5462,5812,6162,6512,6872,7232,7592,7957502,8322,8682,9062,9432,9813,0193,0573,0953,1323,1708003,2083,2473,2873,3273,3673,4073,4473,4873,5273,5678503,6083,6493,6903,7313,7733,8153,8563,8983,9403,9829004,0254,0684,1114,1554,1984,2414,2854,3294,3734,4179504,4624,5074,5524,5974,6424,6874,7324,7784,8244,87010004,9164,9625,0095,0555,1025,1495,1965,2435,2915,33910505,3875,4365,4845,5335,5825,6315,6805,7295,7785,82811005,8785,9285,9786,0286,0786,1296,1806,2316,2826,33311506,3846,4356,4876,5386,5906,6426,6946,7476,7996,85212006,9046,9577,0107,0647,1177,1707,2247,2777,3317,38512507,4397,4937,5477,6017,6557,7097,7647,8197,8737,92813007,9828,0378,0928,1478,2038,2598,3158,3718,4278,48313508,5398,5958,6528,7088,7658,8228,8788,9358,9929,04814009,1069,1629,2209,2769,3349,3909,4489,5059,5639,62114509,6799,7379,7959,8539,9119,96910,02710,08510,14310,201150010,25910,31810,37610,43410,49310,55110,61010,66810,72710,785155010,84410,90210,96111,01911,07811,13611,19511,25311,31211,370160011,42911,48711,54611,60411,66311,72111,78011,83811,89711,955165012,01412,07212,13112,19012,24912,30812,36712,42612,48512,544170012,60312,66212,72112,78012,83912,89812,95713,01613,07513,134175013,19313,25213,31013,36913,42713,48613,54413,60313,66113,720180013,778---------Примечание. ТермоЭДС, мВ, температура, °С (МПТШ-68), температура свободных концов
О °С, предел допускаемых отклонений 0,01 мВ при 0 < 300 °С и [0,01 +3,3 1О'5(0 - 300)] мВ при
0 > 300 °С
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПАРАМИ6259.16. Стандартная градуировочная таблица термопары W + 5 % Re - W+ 20 % Re
(градуировочная характеристика 1*)Приращение температуры, °СУУ, ^010203040506070809000,0000,1240,2500,3780,5080,6400,7740,9101,0481,1881001,3301,4751,6221,7711,9222,0752,2302,3872,5462,7072002,8693,0323,1953,3593,5233,6883,8534,0194,1854,3523004,5194,6874,8555,0245,1935,3625,5315,7005,8696,0394006,2096,3796,5496,7196,8897,0597,2297,3997,5697,7395007,9098,0788,2478,4168,5858,7548,9239,0929,2619,4306009,5989,7659,93310,10110,26910,43710,60510,77210,93911,10670011,27311,44011,60611,77211,93812,10412,26912,43412,59912,76480012,92913,09313,25713,42113,58413,74713,91014,07214,23414,34590014,55614,71614,87615,03515,19415,35215,51015,66715,82415,980100016,13616,29116,44616,60016,75416,90717,06017,21217,36417,515110017,66617,81617,96618,11518,26418,41218,56018,70718,85419,000120019,14619,29119,43619,58019,72419,86720,01020,15220,29420,435130020,57620,71620,85620,99621,13521,27421,41321,55121,68921,826140021,96322,09922,23522,37022,50522,63922,77322,90623,03923,171150023,30323,43423,56523,69523,82523,95424,08324,21124,33824,464160024,59024,71524,84024,96425,08825,21125,33425,45625,57825,699170025,82025,94026,06026,17926,29826,41626,53426,65126,76826,884Примечание. ТермоЭДС, мВ, температура, °С (МПТШ-68), температура свободных концов
0° С, предел допускаемых отклонений 0,08 мВ при 0 < 1000 °С и [0,08 + 4,0 10‘6 (0 - 1000)] мВ
при 0 > 1000 °С9.17. Градуировочная таблица термопары W + 5 % Re - W + 20 % Re
для диапазона температур 1800 ... 2500 °СПриращение температуры, °Сь0102030405060708090180026,99927,11327,22627,33927,45127,56327,67527,78627,89728,007190028,11728,22628,33428,44228,54928,65628,76228,86728,97129,074200029,17729,27929,38129,48329,58429,68529,78629,88629,98630,086210030,18530,28430,38230,47930,57530,67030,76530,85930,95231,044
626Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯПродолжение табл 9 17Приращение температуры, °Сv-'0102030405060708090220031,13631,22731,31831,40831,49831,58731,67631,76431,85231,939230032,02632,11232,19732,28132,36532,44832,53132,61332,69532,776240032,85732,93733,01733,09633,17533,25333,33133,40833,48533,561250033,636---------Примечание. ТермоЭДС, мВ, температура, °С (МПТШ-68), температура свободных концов0°С9.18. Градуировочная таблица термоЭДС некоторых высокотемпературныхтермопар0,°CНикель - НихромНихросил - НисилIr-Ir+ 10% Ru+и1A2? 22 ^
+ 2
A +£N°O4О40+1W-Mo0,°CНикель - НихромНихросил - Нисилs,о4о+А1и1г+ 10 % Ru-Ir +
+10 % Rh<3V?о4О40+7иW-Mo1003,72,77--0,370,4110040,640,082,736,835,85-2007,85,91--0,82-1200-43,843,007,386,39-30011,89,34-1,661,33-1300-47,503,247,916,92-0,28540015,112,97--1,89-1400--3,478,417,46+0,29950018,416,74--2,46-1500--3,688,898,010,93760021,920,61-3,643,05-1600--3,879,358,581,6370025,524,53--3,63-1700--4,099,819,162,3880029,228,46--4,20-1800--4,1910,269,753,1490033,032,37--4,76-2000--6,5*-11,00-100036,736,252,456,245,31-Примечания: 1 Значение 6,5* соответствует термоЭДС при температуре 2300 °С2 ТермоЭДС, мВ, температура, °С, температура свободных концов термопар 0 °С, нихросил
Ni, 14,2 % Сг, 1,4 % Si, нисил Si, 4,4 % Si, 0,1 % Mg
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПАРАМИ6279.3.2. Основы технической реализацииТехническая реализация термоэлек¬
трического метода измерения температу¬
ры сопряжена с необходимостью решения
комплекса технических проблем, одной из
которых является проблема измерения
температуры при условии, когда темпера¬
тура свободных концов не равняется ну¬
лю В этом случае в результаты измерений
необходимо вносить поправку, определяе¬
мую из выражения^(0,,0О) =^аь(® 1 -®о)Таким образом, для приведения из¬
меренного значения термоЭДС термопары
с температурой свободных концов 01 к
значению ее термоЭДС при стандартной
температуре 0О нужно к измеренному зна¬
чению £o&(02>0,) прибавить поправкуЕаЬ(е{,®о)’ представляющую собой тер¬
моЭДС той же термопары, но при темпе¬
ратуре рабочего конца 01 и свободных
концов 0О Значение этой поправки для
соответствующей температуры 01 нахо¬
дится по градуировочным характеристи¬
кам термопарНеобходимость обеспечения посто¬
янства температуры свободных концов
термопары заставляет удалять их от места
нагрева рабочего конца Делать термопа¬
ры длинными не всегда экономически оп¬
равдано Поэтому обычно для этих целей
используют так называемые удлиняющие
или компенсационные провода Очевидно,
что подключение дополнительных прово¬
дов может привести к формированию по¬
грешности измерения температурыДля предотвращения этой погрешно¬
сти удлиняющие провода составляются из
разнородных проводников, которые в ин¬
тервале температур 0 100 °С развивают
между собой такую же термоЭДС, как и
основная термопара (цепь термопары ab с
удлиняющими проводами с и d представ¬
лена на рис 9 8) Если места соединения
удлиняющих проводов со свободнымиРис. 9.8. Цепь термопарыс компенсационными проводамиконцами термопары имеют одинаковую
температуру ©i, а места подключения со¬
единительных проводов к удлиняющим -
одинаковую температуру ©о, то тер¬
моЭДС, возникающая в такой цепи, равнаЕг - еаЬ(®2) + ebd(®l) +edc{®0) +еса(@1)Условия выбора компенсационных
проводовeab(Q{) ~еаЬ(®о) = ecd{Qx) ~ecd(e0)Отсюдаecd(®Q) ~ ^cd(0j) ~eab(Q{) ~^eab(Q0)Очевидно, что ecd(@o) =-еЛ(вв), по-
этому=eab(®2) +ebd(®i) + е</г(0,) ++ еаЬ{вх) ~еса(е1) ~есЬ(в0)Используя свойства ряда Вольта,
можно записать^bd(0j) ~^~^dc(®j) "^^c<af(0i) ~ ~*'ab(®[) >тогда окончательное выражение для Ez
имеет вид= eab(®2) ~eab(Q0) = ^о6(®2,00)Таким образом, удлиняющие провода
не вносят дополнительной погрешности в
результаты измерения, если выполняются
следующие условия- удлиняющие провода должны гене¬
рировать между собой такую же тер¬
моЭДС, как и основная термопара,
628Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ- подключение удлиняющих прово¬
дов должно проводиться с соблюдением
полярности,- температура в местах соединения
удлиняющих проводов со свободными
концами термопары и соединительными
проводами должна быть одинаковойТермоэлектрические преобразователи
могут включаться в различные измери¬
тельные цепи В общем случае термоэлек¬
трический термометр сосгоит из термо¬
электрического преобразователя (термо¬
пары), удлиняющих проводов, коробки
холодных спаев, соединительных прово¬
дов, измерительного или регистрирующе¬
го прибора Коробки холодных концов
термопары представляют собой некото¬
рый кожух, в котором размещают места
соединений удлиняющих и соединитель¬
ных проводов Эти коробки должны обес¬
печивать надежный контакт между прово¬
дами и уравнивать температуры обеих
точек соединенийКоррекция термоЭДС термопары
со значением температуры свободных
концов 0] до значений, соответствующих
стандартной температуре 0О = О °С, осу¬
ществляется либо термостатированием
коробки холодных спаев до температурыО °С, либо с помощью специальных уст¬
ройств автоматического введения поправ¬
ки на несоответствие температуры сво¬
бодных концов нулюНапример, в цепь термопары в месте
перехода удлиняющих проводов в соедини¬
тельные последовательно включают мосто¬
вую схему, питаемую от вспомогательного
стабилизированного ис-гочника тока (рис9 9, а) Три плеча R2, R3, R4 схемы равны по
значению и выполняются из манганина, а
четвертое R\ - из медной проволоки Сопро¬
тивление медного терморезистора
R]q = R1q (1 + а0 0) при температуре О °Сравно сопротивлению манганиновых рези¬
сторов Таким образом, мост оказывается
сбалансированным лишь при температуреРис. 9.9. Автоматическое устройство для
введения поправки на температуру
свободных концов:а - принципиальная схема, б - изменение
погрешности введения поправки на изменение
температуры свободных концов ТЭП,/ - изменение напряжения на зажимах U по
мере повышения температуры 0,2- измене¬
ние поправки к термоЭДС ТЭП по мере повы¬
шения температуры 0 ее свободных концов,А - погрешность введения поправки,01 - температура свободных концов, для
которой А - ОО °С При отклонении температуры моста
и соответственно свободных концов тер¬
мопары от нуля схема выходит из сосгоя-
ния равновесия Если температура мосто¬
вой схемы положительная, то в измери¬
тельной диагонали cd возникает разность
потенциалов AU , суммирующаяся с тер¬
моЭДС термопары Значение напряжения
разбаланса моста A U зависит от напря¬
жения питания моста на его вершинах kf
Требуемое значение напряжения питания
обеспечивается регулировкой подстроеч-
ного резистором R5Значение AU, компенсирующее
снижение термоЭДС термопары, зависит
от типа термопары Так, для термопар с
температурой свободных концов 20 °С эти
компенсирующие напряжения должны
составлять 1,019 мВ для железо-медно-
никелевых термопар типа J, 0,798 мВ для
хромель-алюмелевых термопар типа
К(ТХА), 1,303 мВ для хромель-копелевых
термопар типа ТХК, 0,113 мВ для плати-
нородий (10 %) - платиновых термопар
типа ТПП и порядка 0,250 мВ для группы
вольфрамрений (5 %) - вольфрамрение-
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПАРАМИ629вых (20 %) термопар типа ТВР Поэтому
сопротивление R5 должно обеспечивать
возможность настройки схемы для любо¬
го типа термопарСущественным недостатком схемы
неуравновешенного моста является нели¬
нейность его функции преобразования
(рис 9 9, б) Кривая 1 соответствует изме¬
нению напряжения Ш на выходе мосто¬
вой схемы по мере повышения температу¬
ры 0, кривая 2 соответствует изменению
поправки 0 )к термоЭДС термопа¬ры по мере повышения температуры Ве¬
личина А определяет погрешность введе¬
ния поправки, 0] - температура свобод¬
ных концов, при которой погрешность
введения поправки А равна нулюТаким образом, схема, настроенная
на компенсацию термоЭДС свободных
концов при температуре ©i, будет разви¬
вать при температуре свободных концов
0,> 01 термоЭДС, меньшую необходимой
для компенсации, а при 0, < ©i - большую
необходимой Погрешность недокомпен-
сации может достигать величины порядка5 К для термопар типа хромель-алюмель
(ТЭПХА), у которых мостовая схема на¬
строена на компенсацию термоЭДС свобод¬
ных концов при температуре 01 = 50 °СПогрешность недокомпенсации мож¬
но снизить также за счет правильного вы¬
бора температуры, при которой должна
обеспечиваться полная компенсация Эту
температуру следует выбирать таким об¬
разом, чтобы погрешность недокомпенса¬
ции на конце диапазона по абсолютному
значению равнялась максимальной по¬
грешности внутри диапазона, но имела
противоположный знак (метод половине-
ния погрешности)Напряжение поправки £а6(0]0о)кгермоЭДС термопары является напряже¬
нием разбаланса моста AU и зависит от
напряжения Uum его питания Значениепоследнего определяется с учетом допу¬
щения о линейности уравнение термопары
в диапазоне температур, соответствующихвозможному диапазону изменения темпе¬
ратуры свободных концов^а6(0„© о)Уравнение для напряжения разбалан¬
са моста A U с медным терморезистором
при отсутствии тока в цепи термопары
имеет вид/?ю(1 + a00)i?4 - R2RiAU = U„[Rlo(l + aQ®) + R4](R2 + R3)
сопротивление медного термо-гДе R\0резистора при 0 = 0 К, а© - температур¬
ный коэффициент медного сопротивления
Это выражение справедливо для рав¬
ноплечего моста при температуре0 °С, R1q = R2= R3 —R^— R , при внутрен¬
нем сопротивлении источника питания
г0 « R, при сопротивлении измерительно¬
го прибора Rmi» R В этом случаеД£/ — ^0 О^пит2(2 + а00)Погрешность недокомпенсации А
является разностью термоЭДС термопары
Еаь(® ,о) = Заь® (напряжение поправки) инапряжения разбаланса моста AUА = a&QU™<—£ ©2(2 + а@ ©)Эта погрешность достигает макси¬
мального значения при некоторой темпе¬
ратуре 0min внутри заданного диапазонаизменения температуры свободных кон¬
цов термопары Исследуя на экстремум
выражение для погрешности недокомпен¬
сации по температуре_ Unmae 2(2 + g0e)-2a2@Unm
d© 4(2+ a0©)2~Sabполучим ©mm1%>ae^nm>ab-2
630Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯРис. 9.10. Универсальное автоматическое
устройство для введения поправки на
температуру свободных концов:а - принципиальная схема устройства (сопро¬
тивления Rx и R6 - термочувствительные изплатиновой проволоки, сопротивления R2, R3,
R4, R5f R1 - манганиновые), б - изменение
погрешности введения поправки на изменение
температуры свободных концов (погрешность
А от изменения температуры свободных
концов обращается в нуль при 01 и 02При этом значение максимальной по¬
грешности недокомпенсации равнов'в^тш^пит _-*max (®min ) ^ab^mm2(2 + а0@тт)= 2SgbUпит _ 2 Uuа©Такая же погрешность, но с обрат¬
ным знаком, возникает при максимальной
температуре диапазона компенсации0итахД f (н) \ _ ^в^тах^пит _ о
^max vwmax) ^ ч °ab^Jmax2(2 + а@0тах)Напряжение £/ПИТ, обеспечивающее^тах (®тах ) “ ^тах (®тт ) » РавнО^ПИТ-В±^В2 -4АС\22 АгдеC = Sл 1 + «(Э®тах2 + а@©тахВ = -2а-0
^тах
© jТемпература свободных концов тер¬
мопары 0К, при которой осуществляется
полная компенсация, определяется выра¬
жениемв'О^пит ~З'ЗаЬ®'®&=-При таком способе компенсации тер-
моЭДС термопары ТЭПХА в диапазоне
изменения температур свободных концов
до 60 °С максимальная погрешность недо¬
компенсации в тепловом эквиваленте не
превышает 1,3 КДля уменьшения погрешности недо¬
компенсации часто используют более
универсальную схему (рис 9 10) Питание
мостовой цепи также осуществляется от
стабилизированного источника, но диаго¬
наль питания шунтируется сопротивле¬
ниями R5 и R6 Мостовая схема включает
постоянные манганиновые сопротивления
/?2, R3, R4 и термочувствительное платино¬
вое сопротивление Ri^1 =^i0(l + aPt +Ppt2)При нарушении равновесия моста
вследствие изменения температуры сво¬
бодных концов напряжение разбаланса в
измерительной диагонали возрастает мед¬
леннее, чем температура 0, и связано с
ней нелинейно Одновременное изменение
термочувствительного платинового со-противления R6 = R6q (1 + aPt + b?i ) соз¬
дает нарастание напряжения в диагонали
питания, что позволяет в значительной
степени уменьшить нелинейность функ¬
ции преобразования мостовой схемы и
снизить погрешность недокомпенсации
Замена сопротивления R7 позволяет ис¬
пользовать эту схему с различными типа¬
ми термопар В диапазоне изменения тем¬
ператур свободных концов до 60 °С мак¬
симальная погрешность недокомпенсации
термоЭДС ТЭПХА в такой схеме не пре¬
вышает в тепловом эквиваленте 1 К
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПАРАМИ6319.3.3. Средства измерения термоЭДСВ качестве средств измерения тер¬
моЭДС в термоэлектрических термомет¬
рах используют милливольтметры магни¬
тоэлектрической системы, цифровые мил¬
ливольтметры, компенсаторы, информа¬
ционно-измерительные системы и измери¬
тельно-вычислительные комплексыВ простейшем термоэлектрическом
термометре (см рис 9 8) для измерения
термоЭДС используют магнитоэлектри¬
ческие милливольтметры Измеряемое
милливольтметром напряжение-ДЯтп + ^л) ~^©(^щ +fcn) _+^в
/?тп + Длн=5“ЧбДКUB - ^(0) ■= Еа= Ес1 —Дд + ^1п + Rгде Дгп - сопротивление термопары,
Rn - сопротивление соединительных ли¬
ний, RB - сопротивление милливольтмет¬
ра Из выражения видно, что измеряется
не £(©), а напряжение £/в, и погрешностью
от влияния сопротивлений Дтп и Rn
можно пренебречь лишь в том случае, ко¬
гда (Д1П + Rn) « RB Полностью устра¬
нить влияние этих сопротивлений невоз¬
можно Кроме того, следует учитывать,
что в процессе работы термоэлектриче¬
ского термометра могут изменяться RTnпри нагреве термопары в печи и Rnвследствие колебаний температуры удли¬
няющих проводовЕще одним источником погрешности
может являться отклонение температуры
рамки милливольтметра, намотанной мед¬
ным проводом, от нормальной, что приво¬
дит к изменению сопротивления RB Дляуменьшения влияния температуры на по¬
казания милливольтметра последователь¬
но с его рамкой включают добавочное
сопротивление из манганиновой проволо¬
ки, устанавливаемое обычно внутри кор-TV0Рис. 9.11. Принципиальная схема
потенциометра с термоэлектрическим
термометромпуса прибора Однако при этом значи¬
тельно уменьшается чувствительность
прибораИспользование для измерения тер¬
моЭДС цифровых милливольтметров,
отличительными особенностями которых
являются высокие классы точности (0,1
0,2 и выше) и большие входные сопротивле¬
ния (Дв > 10 МОм), позволяет существенноснизить суммарную погрешность измеренияПрименение компенсаторов {потен¬
циометров) постоянного тока для измере¬
ния термоЭДС термопары позволяет пол¬
ностью исключить влияние сопротивле¬
ний и так как в момент измерениякомпенсатором энергия от термопары не
потребляется Схема включения компен¬
сатора постоянного тока в цепь термо¬
электрического термометра приведена на
рис 9 11В компенсаторах (потенциометрах)
реализуется компенсационный метод из¬
мерения, сущность которого заключается
в том, что измеряемая термоЭДС уравно¬
вешивается известным падением напря¬
жения (глава 3) Компенсатор содержит
три смежных контура Контур I - рабочая
или измерительная цепь, которая включа¬
ет компенсационное Rv, образцовое R0 иподгоночное RpT сопротивления, вспомо¬
гательный источник питания Б и кнопку
К Контур II - цепь нормального элемента
Енэ, а контур III- цепь термоэлектричес-
632Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯРис. 9.12. Структурная схема
автоматического потенциометракого термометра Т В контуры II и III по¬
очередно включается посредством пере¬
ключателя П нулевой индикатор, в качест¬
ве которого используется магнитоэлек¬
трический гальванометр И Нормальный
элемент НЭ - мера ЭДС, и характеризую¬
щийся стабильным значением ЭДС - £нэ
Образцовый резистор компенсатора Rcизготовляется из манганина и имеет ста¬
бильное и известное с высокой степенью
точности сопротивлениеПри измерении температуры компен¬
сатором предварительно устанавливают
заданное значение рабочего тока /р в из¬
мерительной цепи Для этого, регулируя
сопротивление RpT при положении 1 пе¬
реключателя П и замкнутой кнопке К, до¬
биваются отсутствия показаний гальвано¬
метра Условию компенсации соответст¬
вует выражениеРис. 9.13. Принципиальная схема
автоматического потенциометра i ипа КСП-4IР = = const
*0Затем выполняют измерение
Еаь(® ,©0)> для чего переключатель П ус¬
танавливают в положение 2 и регулиров¬
кой движка с реохорда Rp вновь добива¬
ются отсутствия показаний гальванометра
В этом случае измеряемая гермоЭДС
термопары компенсируется равным по
величине, но обратным по знаку падениемнапряжения на сопротивлении участ¬
ка реохорда тк, ток через термопару от¬
сутствует, а значение ЕаЬ(@^е^ определя¬
ется выражениемтр _ т р _ ^НЭ nff-'abi®!, ©л) L Р*^вс пЗначения £Нэ и RQ воспроизводятсямерами, являются постоянными и извест¬
ными с высокой точностью, поэтому оп¬
ределение термоЭДС Eah(Q2t@Q) термо¬
электрического термометра сводится
практически к измерению сопротивления
R'v Шкала компенсатора, нанесеннаявдоль реохорда Rp, градуируется непо¬
средственно в мВ или в градусах (при ра¬
боте с определенным типом термопар) В
момент отсчета (при компенсации тер¬
моЭДС) ток в цепи термометра отсутству¬
ет, сопротивление гальванометра и внеш¬
ней соединительной линии и ряд других
факторов не оказывают влияния на ре¬
зультаты измерения, что обеспечивает
высокую точность измерения ЭДСПри промышленном контроле темпе¬
ратуры обычно используют автоматиче¬
ские электронные показывающие и само¬
пишущие потенциометры, в которых ком¬
пенсация термоЭДС термоэлектрического
термометра производится с помощью
уравновешивающего устройства, связан¬
ного, например, с реверсивным микродви¬
гателем Структурная схема автоматиче¬
ского потенциометра (АП), работающего в
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПАРАМИ633комплекте с термоэлектрическим термо¬
метром (Т), приведена на рис 9 12, а на
рис 9 13 представлен пример конкретной
реализации прибораВ измерительную схему прибора
включены реохорд Rp, выполняющийроль уравновешивающего устройства,
шунтирующий резистор Rm, ограничи¬
вающий протекающий через резисторы
гок, резисторы Rm(rm) и Лв„(гв„), опреде¬
ляющие нижний и верхний пределы пока¬
заний шкалы, медный терморезистивный
преобразователь RM, автоматически ком¬
пенсирующий влияние изменений темпе¬
ратуры 0j свободных концов термомет¬
ра Т, балластный резистор Ra, ограничи¬
вающий ток в измерительной схеме, об¬
разцовый резистор R0 , балластный рези¬
стор Rг, ограничивающий ток в цепи ис¬
точника питания, переменный резистор
Др1 для регулирования рабочего тока /рВ качестве нуль-индикатора используется
электронный усилитель постоянного тока
ЭУ, включенный в диагональ тп измери¬
тельной схемы, к выходу которого под¬
ключен реверсивный микродвигатель РД
Питание схемы осуществляется от источ¬
ника постоянного тока ИПС, включенного
в диагональ cd Привод диаграммной лен¬
ты 2 отсчетного устройства ОУ реализует¬
ся с помощью синхронного микродвигате¬
ля СДПри изменении температуры 02 кон¬
тролируемой среды (рабочего спая термо¬
пары) на вход электронного усилителя
подается напряжение постоянного тока,
вызванное разбалансом измерительной
схемы Это напряжение преобразуется в
усилителе в напряжение переменного
тока и усиливается до значения, достаточ¬
ного для работы реверсивного двигателя
Последний при помощи кинематической
схемы перемещает влево или вправо, в
зависимости от уменьшения или увеличе¬
ния измеряемой температуры 02, подвиж¬
ную каретку 3 отсчетного устройства ОУ сзакрепленными на ней токосъемным
движком реохорда Rp, указательной стрел¬
кой и пером Показания потенциометра
отсчитываются в градусах по равномерной
шкале 1 и записываются на диаграммной
ленте Реверсивный двигатель работает до
наступления состояние равновесия (компен¬
сации) измерительной схемы прибора, соот¬
ветствующего измененному значению 029.3.4. Специальные схемы включения
термопарДля повышения точности измерения
небольших температур с помощью термо¬
электрических термометров иногда ис¬
пользуют несколько последовательно со¬
единенных однотипных термопар, рабочие
концы которых помещают в зону изме¬
ряемой температуры 02, а свободные кон¬
цы находятся при одинаковой температу¬
ре 01 Термопары, соединенные таким
образом, называют термобатареей. На
рис 9 14, а приведена схема термоэлек¬
трического термометра с термобатареейСуммарная термоЭДС термобатареи
определяется выражениемЕъ ~ n^ab(e2,e{)9где ^(02,0,) - термоЭДС одной термопа¬
ры, п - число однотипных термопар, со¬
ставляющих термобатареюУвеличение термоЭДС пропорцио¬
нально числу включенных термопар при¬
водит к увеличению чувствительности
термометра и уменьшению его погрешно¬
сти Однако вследствие увеличения числа
термопар возрастает сопротивление цепи
#гб = nRjn, где /?ТБ и /?тп - сопротивления
термобатареи и каждой термопары соответ¬
ственно Увеличение сопротивления являет¬
ся негативным фактором, который при оп¬
ределенных условиях может компенсиро¬
вать положительный эффект увеличения
чувствительности Поэтому использование
термобатареи целесообразно лишь в том
случае, когда RTь « Rb, где RB - сопро¬
тивление вольтметра
634Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ%даXrtв.0[ @2а)б)Рис. 9.14. Схема термоэлектрического
термометра:а- с термобатареей, б - дифференциальногоТермоэлектрический термометр с
термобатареей позволяет также легко оп¬
ределить среднюю температуру ОК, если
рабочие концы термопар расположить в
разных местах зоны измеренияДля измерения разности температур
между двумя точками используют встреч¬
ное включение двух термопар, рабочие
концы которых помещают в контролируе¬
мые точки, а свободные - в среду с по¬
стоянной температурой Термоэлектриче¬
ские термометры со встречным включени¬
ем термопар называют дифференциаль¬
ными На рис 9 14, б приведена схема
дифференциального термоэлектрического
термометра, суммарная термоЭДС которо¬
го пропорциональна разности температур
в контролируемых точках и определяется
следующим образом- Еаь(е{,во)+ Еьа(е2,@о) ~= Eab{el,e0)-Eab{e2,&0) =~ Eab(<d{ ) ~ Eab(®0 ) ~ Eab(&2 ) Eab(@0 ) —— Eab(&{ ) ~ Eab(&2 ) — Eab(<dx ,02 )Для повышения чувствительности
дифференциального термоэлектрического
термометра применяют термобатареиПараллельное включение термопар
приводит к увеличению тока в цепи/ _ ^ТБ ~ ^Н^ТП !п _ ^ТБЯН ^н + ^тп /пгде /н - ток в нагрузке, ЕТБ - термоЭДС
параллельной термобатареи, RTп - сопро¬тивление одной термопары, п - число тер¬
мопар в термобагарееПараллельное соединение термопар
применяется в тех случаях, когда термо¬
пары используются как источники элек¬
трической энергии В измерительной тех¬
нике такой же эффекг может быть полу¬
чен путем увеличения в п раз площади
поперечного сечения термоэлектродов9.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ЕСТЕСТВЕННЫХ ТЕРМОПАР
ПРИ НК9.4.1. Общие положенияВ практике НК широко применяется
метод естественной термопары (метод
Шора и Готтвейна-Герберта), заключаю¬
щийся в использовании в качестве элек¬
тродов термопары элементов ОК, изготов¬
ленных из проводящих материалов и на¬
ходящихся друг с другом в непосредст¬
венном контакте При этом месго контакта
выполняет функцию рабочего спая термо¬
пары, который нагревается в процессе ра¬
боты контактирующих поверхностей, а
несоггрикасающиеся концы этих элемен¬
тов выполняют функцию свободных кон¬
цов Чувствительность естественной
термопары определяется как разность
термоэлектрических способностей Sx иS2 материалов, из которых выполненыконтактирующие элементы, в точках их
касания ЭДС естественной термопары
определяется из выражения£’ = 5’]2(©2-©i),где 02 и 0j - температуры в точке контак¬
та электродов естественной термопары и в
точках присоединения этих электродов к
измерительной цепи соответственноСредняя температура в зоне контакта
при этом равна©2=^ + ©.^12При включении естественной термо¬
пары в измерительную цепь обычно обра¬
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ ТЕРМОПАР ПРИ НК635зуется ряд паразитных термопар, и, следо¬
вательно, в результаты измерений вносит¬
ся погрешность Кроме того, процессы
контактного взаимодействия электродов
естественной термопары могут сопровож¬
даться различными физическими эффек¬
тами, приводящими, в свою очередь, к
возникновению дополнительных ЭДС,
например, трибо-, акусто-, гальваноЭДС
Поэтому применение естественной термо¬
пары целесообразно только в тех случаях,
когда образующие ее материалы создают
значительную термоЭДС, термоэлектри¬
ческие способности материала электродов
известны и не изменяются в процессе из¬
мерения, дополнительные составляющие и
помехи малы по сравнению с термоЭДС
или могут быть достаточно просто отде¬
лены от нееПри использовании метода естест¬
венной термопары необходимо обеспечить
стабильный металлический контакт между
элементами сопряжения, так как при раз¬
рыве контакта ток в измерительной цепи
отсутствует, что может быть ошибочно
идентифицировано как равенство темпе¬
ратуры в зоне контакта температуре сво¬
бодных концовОсобенностью использования естест¬
венных термопар является и то, что часто
один или даже оба ее электрода в процессе
контроля перемещаются Таким образом,
возникает проблема передачи сигнала от
движущихся элементов естественной тер¬
мопары к измерительной цепи Решение
этой задачи осуществляется с помощью
различных токосъемных устройств, опи¬
санных в главе 4 Следует также умень¬
шать паразитные ЭДС, осуществлять
фильтрацию дополнительных составляю¬
щих, учитывать флуктуации чувствитель¬
ности естественной термопары и дрВ то же время, при решении ряда за¬
дач НК использование метода естествен¬
ной термопары является наиболее эффек¬
тивным, а иногда и единственно возмож¬
ным К числу решаемых с помощью этого
метода задач наряду с измерением темпе¬
ратуры в труднодоступных местах, в част¬ности в зонах трения и резания, относится
контроль скорости абразивного изнашива¬
ния, изменения характеристик поверхно¬
стей трения, качества покрытий и т п Рас¬
смотрим некоторые примеры использова¬
ния данного метода9.4.2. Контроль температуры в зоне
резанияПри механической или плазменно¬
механической обработке металлических
материалов режущий инструмент и обра¬
батываемая деталь соединяются в элек¬
трическую измерительную цепь с образо¬
ванием естественной термопары Это соз¬
дает предпосылки для контроля темпера¬
туры в зоне резанияПри обработке материала с помощью
одного резца измеряют ЭДС, возникаю¬
щую между резцом и обрабатываемой де¬
талью (рис 9 15) Лучшие результаты дает
метод двух резцов (рис 9 16), описанный
Райхелем Этот метод позволяет в какой-
то степени скомпенсировать паразитные
ЭДС, возникающие в цепи каждого резца
Для уменьшения погрешностей материалы
резцов должны иметь различные термо¬
электрические характеристики, а темпера¬
туры в обеих точках резания должны быть
одинаковыми На практике, однако, в
большинстве случаев это условие не вы¬
полняется, кроме того, при различных
термоэлектрических характеристиках рез¬
цы имеют также различные теплопровод¬
ности Поэтому применение метода есте¬
ственной термопары при измерении тем¬
пературы в данном случае не всегда обес¬
печивает сходимость и воспроизводи¬
мость результатов Метод применяют,
главным образом, для того, чтобы оценить
неоднородность инструментов с точки
зрения режущих свойств9.4.3. Контроль скорости изнашивания
режущего инструментаДля контроля скорости изнашивания
режущего инструмента может быть ис¬
пользовано устройство, содержащее есте-
636Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯЯ3DТ\\л\С/ /
Hg)-]Рис. 9.15. Устройство для измерения
температуры режущей кромки токарного
резца:1 - обрабатываемая деталь, 2 - рабочий спай
термопары, 3 - изоляция, 4 - изоляционный
защитный кожух, 5 - резец, 6 - свободные
концы термопары, 7 - ртутный контактственную термопару, образованную, как и
в случае измерения температуры в зоне
резания, инструментом и обрабатываемой
деталью (рис 9 17)Переменный сигнал с естественной
термопары 1 поступает на вход блока 3
селективных усилителей, где из него вы¬
деляют сигналы нужных частот Сигнал с
выхода блока 3 поступает на вход блока 7
измерения резонансных частот, в котором
вырабатывается сигнал (термоЭДС), не¬
сущий информацию о скорости изнаши-Рис. 9.16. Схема метода двух резцов:1 - обрабатываемая деталь, 2,3 - резцыРис. 9.17. Схема устройства для контроля
скорости изнашивания режущего
инструментавания инструмента Этот сигнал подается
на один из входов решающего блока 6, в
котором он корректируется с учетом ско¬
рости резания за счет сигналов, посту¬
пающих на два других входа решающего
блока б с датчика 4 угловой скорости об¬
рабатываемой детали и датчика 5 ее диа¬
метра Выходной сигнал решающего бло¬
ка б поступает на регистрирующее уст¬
ройство 2, шкала которого проградуиро¬
вана в значениях скорости изнашивания
режущего инструмента9.4.4. Контроль температуры при
холодной прокатке материаловМетод естественной термопары ис¬
пользуется также при контроле темпера¬
туры полосы металла в зоне деформации
холодной прокатки В этом случае естест¬
венная термопара образуется вращаю¬
щимся валком и полосой прокатываемого
металла Для контроля температуры непо¬
средственно в очаге деформации прокаты¬
ваемого металла в качестве электродов
термопары используют прокатанный и
непрокатанный участки обрабатываемого
металла (рис 9 18) Оча1 1 деформации
металла, расположенный между валками 2
прокатного стана, включается в термо¬
электрическую цепь с электродами, обра¬
зованными непрокатанным 3 и прокатан¬
ным 4 участками полосы металла Эти
участки с помощью токосъемников 5 и б и
соединительных проводов 7 подключают¬
ся к измерительному прибору 8
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ ТЕРМОПАР ПРИ НК637Рис. 9.18. Устройство контроля
температуры при холодной прока гке
ме1аллаИзмерение температуры осуществ¬
ляют следующим образом На прокатном
стане с вертикальным перемещением вал¬
ков устанавливают междувалковый зазор,
обеспечивающий относительное обжатие
металла в очаге деформации Затем задают
вращение валкам, производят прокатку
металла на четверть его исходной длины
до выхода переднего края полосы из ме-
ждувалкового зазора Останавливают
вращение валков и закрепляют на концах
образующих термопару непрокатанного и
прокатанного участков металла зажимные
или скользящие токосъемники Для урав¬
новешивания температурного поля по всей
длине металла выдерживают 5 7 мин,
пока измерительный прибор не покажет
нулевое значение термоЭДС Затем вклю¬
чают вращение валков и производят про¬
катку металла Разогрев металла в очаге
деформации, являющемся своеобразным
спаем термопары, вызывает возникнове¬
ние термоЭДС на концах прокатанного и
непрокатанного участков По значению
измеренной термоЭДС для данных усло¬
вий прокатки с помощью предварительно
полученных экспериментальным путем
номограмм зависимостей термоЭДС - об¬
жатие - температура очага деформации
для данного металла определяют искомую
температуру9.4.5. Контроль сплошности покрытия
биметаллической проволокиДля совмещения процесса волочения
с контролем сплошности покрытия биме¬
таллической проволоки 5 (рис 9 19) изме¬
ряют разность потенциалов, возникаю¬
щую при наличии несплошности покры¬
тия, по крайней мере, между двумя воло¬
ками Так как фильеры 7 и 2 выполнены
из однородного материала, то при протя¬
гивании через них проволоки с биметал¬
лическим покрытием на фильерах образу¬
ются равные по величине и знаку ЭДС В
этом случае ЭДС, подаваемая на вход уси¬
лителя 3, равна нулюРис. 9.19. Ус1ройство контроля сплошное! и
покрытия биметаллической проволокиПри прохождении проволоки с нару¬
шенным биметаллическим покрытием
через фильер 7 и через фильер 2 со
сплошным биметаллическим покрытием,
на фильерах 7 и 2 образуется некоторая
разность потенциалов, которая усиливает¬
ся усилителем 3, и через исполнительное
устройство 4 (например, реле) подается
команда на отключение стана9.4.6. Контроль температуры
в зоне тренияМетод естественной термопары до
настоящего времени остается практически
единственным, позволяющим контроли¬
ровать температуру непосредственно в
зоне трения Типичными элементами, в
которых происходит разогрев трущихся
поверхностей за счет сил трения, являются
тормозные колодки, колеса редукторов,
638Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯподшипники и т п Во всех этих механиз¬
мах зона трения перемещается по поверх¬
ности трущегося элемента, и в каждый
момент времени в контакт вступают раз¬
личные участки поверхностей трения
Термоэлектрические способности контак¬
тирующих материалов флуктуируют при
переходе от одной точки поверхности к
другой, поэтому флуктуирует и чувстви¬
тельность естественной термопары Тер¬
моэлектрическая нестабильность такой
термопары может быть столь велика, что
ее нельзя не учитывать, особенно в тех
случаях, когда материалы, из которых из¬
готовлены трибоэлементы, являются оди¬
наковыми или близкими по своим термо¬
электрическим свойствам Кроме того, при
контакте двух трущихся поверхностей
температуру в зоне трения можно опреде¬
лить лишь при одноточечном контакте
поверхностей Реально зона трения пред¬
ставляет собой многоточечный контакт
При замыкании микроконтактов в
процессе перемещения зоны трения, наря¬
ду с термоЭДС, вследствие удара микро¬
неровностей одной поверхности о другую
возникают импульсы трибоЭДС Действие
импульсов термоЭДС и триботока приво¬
дит к появлению в цепи постоянной со¬
ставляющей тока При трении металлов
трибозаряды стекают через зону многото¬
чечного контакта, практически не попадая
во внешнюю цепь Током во внешней це¬
пи, созданным трибозарядами, при нали¬
чии стабильного электрического контакта
можно пренебречь, так как сопротивление
измерительной цепи обычно много боль¬
ше сопротивления контактаОднако за счет микрогеометрии тру¬
щихся поверхностей и их вибрации всегда
есть интервал времени, когда электриче¬
ский контакт отсутствует Очевидно, есть
и такие моменты, когда контактирование
поверхностей происходит лишь по одной
микронеровности с последующим нару¬
шением контакта Генерируемый при этом
трибозаряд не может стечь через зону
контакта и поэтому стекает по внешней
цепи Но в те моменты, когда отсутствуетэлектрический контакт, в цепи не возника¬
ет термоЭДС Поэтому через измеритель¬
ную цепь в одни интервалы времени про¬
ходит ток, созданный термоЭДС, а в дру¬
гие - ток, созданный трибозарядамиЕсли относительное время контакти¬
рования трущихся поверхностей
т = ТК/Т «1, где Тк и Т - соответственновремя контактирования и измерения, то
можно считать, что между контактирую¬
щими поверхностями практически все
время существует многоточечный кон¬
такт, и напряжение на сопротивлении
внешней цепи Ru (измерительном прибо¬
ре) соответствует напряжению, созданно¬
му трибоэффектомСредний ток /терм, обусловленныйтермоЭДС, может быть определен сле¬
дующим образом/ =тАтермВ этом случае не учитывается сопро¬
тивление контактов, гак как оно значи¬
тельно меньше сопротивления нагрузки
Если же относительное время контактиро¬
вания меньше единицы, то доля трибото¬
ка, протекающего во внешней цепи, ста¬
новится заметной и его необходимо учи¬
тывать Средний триботок практически не
зависит от сопротивления нагрузки, так
как при разрыве электрического контакта
утечкой тока через него можно пренеб¬
речь Поскольку указанные токи реально
протекают в разные моменты времени, то
суммарный средний ток в цепи будет яв¬
ляться суммой рассмотренных токовh =(£■/*„ Wtph6,и, соответственно, напряжение на нагруз¬
кеUu — Ex + /ТрИб^нПри малых сопротивлениях нагрузки
составляющей напряжения, обусловлен¬
ной триботоком, £/фиб = /трибун можно
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ ТЕРМОПАР ПРИ НК639пренебречь, а при больших сопротивлени¬
ях нагрузки напряжение на ней создается
в основном за счет трибо- , а не термоэф¬
фектаВлияние нагрузки на величину изме¬
ряемого напряжения или тока позволяет
предложить способ разделения этих со¬
ставляющих Для этого следует измерить
средний ток или напряжение при двух
разных сопротивлениях нагрузки и ре¬
шить полученную систему уравнений от¬
носительно триботока и термоЭДС|71 =(£т)/ЯН1 +/триб]/2 =(Ex)/R „2+/трибЕсли исследуется стационарный про¬
цесс, то можно сначала провести измере¬
ния при одном сопротивлении нагрузки, а
потом-при другомЕсли же процесс квазистационарный,
то следует проводить серию измерений,
чередуя измерения с одним значением
сопротивления нагрузки с измерениями с
другим значением сопротивления Для
повышения точности измерения целесооб¬
разно проводить таким образом, чтобы
прошедшие за время измерения электри¬
ческие заряды Q были одинаковы при
обоих сопротивлениях нагрузки Так как
сопротивления нагрузки должны отли¬
чаться значительно, то для обеспечения
этого условия измерение при большом
сопротивлении нагрузки будет занимать
больший промежуток времени t2i чем при
малом сопротивлении нагрузки t\9 из-за
того, что триботок меньше термотока В
этом случае система уравнений примет
вид\Q/h = HR, + АрибW=(^)/*H2+V6’ТогдаЕ =Q Vh-i/t,1 V^h2“V^h1Рис. 9.20. Структурная схема устройства
для разделения постоянной ЭДС,
генерируемой в зоне трения, на термо- и
трибосоставляющиеПри поочередном включении нагру¬
зок периоды t2 измерения в цепи с боль¬
шим сопротивлением должны быть боль¬
ше периодов t\ измерения с малым сопро¬
тивлением примерно во столько же раз, во
сколько одно сопротивление больше дру¬
гого Тогда расчетная формула для тер¬
моЭДС приобретает видЕ = -т\/Кц2 /Кц\)где п - число включений цепей с разными
сопротивлениями нагрузокТемпература непосредственно в зоне
трения определяется по найденному зна¬
чению термоЭДС из выражения02 = 0j + £7 Si 2Для реализации предложенного спо¬
соба может быть использовано устройст¬
во, приведенное на рис 9 20 Устройство
содержит исследуемую пару трения - ОК,
два электронных интегратора с разными
входными сопротивлениями и два элек¬
тронных ключа, осуществляющих попе¬
ременное подключение интеграторов к
исследуемой паре трения Работой устрой¬
ства управляет микроЭВМ с помощью
640Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯблока управления, который позволяет за¬
давать время измерения Г, время цикла
интегрирования для каждого интегратора
t{ и t2, режим работы устройства с фик¬
сированным и произвольным временем
измеренияМикроЭВМ осуществляет также хра¬
нение и обработку результатов измерений
с выводом на дисплей текущего значения
времени измерения, значения времени
цикла для каждого интегратора, текущего
времени работы интегратора, значений
термоЭДС, триботока и контролируемой
температуры9.5. СРЕДСТВА
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НК9.5.1. Общие принципы построенияВысокая чувствительность термо¬
электрических параметров к дефектам,
примесям, изменению физических и меха¬
нических характеристик, химического и
фазового состава, простота и высокая ско¬
рость измерений предопределили успеш¬
ное применение термоэлектрического ме¬
тода контроля качества проводящих мате¬
риалов и изделий из нихТермоэлектрическую способность
материалов измерить проще, чем коэффи¬
циенты Томсона или Пельтье, поэтому
именно этот параметр используется в
большинстве случаев реализации термо¬
электрического метода Причем определе¬
ние значения самой термоэлектрической
способности материала часто не является
обязательным, достаточно измеригь инте¬
гральную термоЭДС в цепи из контроли¬
руемого и эталонного материаловВ основу устройств термоэлектриче¬
ского контроля положен принцип механи¬
ческого контакта с изделием Термоэлек¬
трическая цепь создается между ОК и вы¬
полненными из заданного материала элек¬
тродами, которые соединены с измери¬
тельным прибором Количество приме¬
няемых измерительных электродов зави¬
сит от целей и задач контроля, но обычноРис. 9.21. Схема, обеспечивающая
посюянную разность температур междуэлектродами за счет нагрева обоих
электродов:1 - измерительный электрод, нагреваемый до
температуры ©ь 2 - измерительный электрод,
нагреваемый до температуры 02 (©2>©i)>3 - нагреватели, 4 - блоки регулирования
питания нагревателей, 5 - ОКприменяются два электрода Между элек¬
тродами поддерживается постоянная раз¬
ность температур, которая может созда¬
ваться двумя способами- до заданных температур нагревают¬
ся оба электрода (рис 9 21),- нагревается один из электродов, а
второй поддерживается при комнатной
температуре (рис 9 22), при этом нагрев
прекращается при достижении заданной
разности температур между нимиВторой способ получил наибольшее
практическое распространение, так как
позволяет упростить конструкцию и
уменьшить габариты устройства Элек¬
трод, нагретый до более высокой темпера¬
туры, получил название горячего элек¬
трода:, другой - холодногоВ известных устройствах термоэлек¬
трического контроля используется одна из
двух схем измерения термоЭДС, полу¬
чивших название простой и дифференци¬
альнойВ случае простой схемы измеряют
термоЭДС, возникающую между электро¬
дами и изделием (рис 9 23, а) ТермоЭДС
СРЕДСТВА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НК 641в других контактах разнородных металлов
сводится к нулю помещением этих кон¬
тактов в условия с одинаковой температу¬
ройПри дифференциальной схеме в
термоэлектрическую цепь в качестве ак¬
тивного элемента входит материал этало¬
на, включенного между горячим электро¬
дом и индикаторным прибором (рис 9 23,
б) ТермоЭДС, возникающая в контакте
горячего электрода с эталоном, служит
для полной или частичной компенсации
измеряемой термоЭДС Дифференциаль¬
ная схема применяется в основном при
разбраковке сплавов, так как при условии
равенства температур в контактах элек¬
трод - изделие и элекгрод - эталон ре¬
зультирующая термоЭДС равна величине
ЭДС в паре изделие - эталон Выбор мате¬
риала эталона идентичным материалу из¬
делия позволяет реализовать мнулевой ме¬
тод" контроля термоЭДС Такая разбра¬
ковка по "нулевому методу" может быть
осуществлена даже при непостоянной
разности температур между горячим и
холодным электродамиНа основе полученных эксперимен¬
тальных значений термоЭДС определяют
термоэлектрическую чувствительность
контролируемого магериала, а по ней на
основании предварительно установлен¬
ных корреляционных связей, аналитиче¬
ских зависимостей или градуировочных
характеристик определяют различные фи¬
зические, механические, тепловые и дру¬
гие параметры материаловСредства контроля химического
состава и структуры металлов и спла¬
вов основаны на высокой чувствительно¬
сти термоэлектрической способности ма¬
териалов к примесям в них Добавление
даже десятых долей ат % примеси может
привести к изменению термоэлектриче¬
ской способности на сотни процентов и
даже изменить ее знак Особенностью
термоэлектрического метода НК, кроме
того, является высокая локальность, кото¬
рая определяется размерами нагреваемой
области ОК и размерами неоднородностейРис. 9.22. Схема, обеспечивающая
постоянную разность температур между
электродами за счет нагрева одного
электрода:1 - измерительный электрод, поддерживаемый
при комнатной температуре, 2 - измеритель¬
ный электрод, нагреваемый до температуры
02, 3 - нагреватели, 4 - блок регулирования
питания нагревателей, 5 - ОКв нем При использовании в качестве на¬
конечника измерительного зонда иглы
термоэлектрический метод НК не имеет
ограничений, связанных с формой ОКТермоэлектрическая чувствительность
материала зависит от его удельного элек¬
трического сопротивления Если в чистый
металл с удельным сопротивлением р0
вносится примесь типа z, изменяющая
Ро на Др„ то при выполнении правила
Маттисена удельное сопротивление ме¬
талла с примесью рп равно рп = Ро + Ар,0,liy-0о152rj4©)а)Рис. 9.23. Схемы измерения термоЭДС:а - простая схема, б - дифференциальная
схема, 1- холодный электрод, 2 - горячий
электрод, 3 - индикаторный прибор,4 - контролируемый образец, 5 - эталон,
0Ь 02 - температуры в контактах21-607
642Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯПри условии, что в металле имеется
один тип носителей заряда и примесь не
изменяет плотности электронных состоя¬
ний, термоэлектрическая способность
металла с примесью Sln определяется вы¬
ражениямиQtl РО Г1 , ^Р/ Г)— Sq Н Sj или
Р РS'n=S,+&-{S0-S,),Ргде и S0 - термоэлектрические спо¬
собности соответственно металла с при¬
месью и чистого металла, St - характери¬
стическая термоэлектрическая способ¬
ность примесиВыражения для ^ , позволяют опре¬
делить термоэлектрическую чувствитель¬
ность материала при внедрении в него
примесей Они могут быть использованы
и в случае, когда в металл одновременно
вносится ряд примесей Аналогичное вы¬
ражение можно получить для дефектов
(вакансий и дислокаций) и различных
структурных несовершенств, которые
влияют на удельное сопротивление иссле¬
дуемого материала таким же образом, как
и изменение химического составаПриборы термоэлектрического кон¬
троля могут быть использованы также для
определения количества остаточного
аустенита в сталях по значениям тер¬
моЭДС, полученным от эталонного образ¬
ца Еэ и контролируемого изделия ЕхДля случая применения термощупа
типа "паяльник" и одинакового знака Е3 и
Ех количество остаточного аустенита А
(об %) в стали рассчитывается по тер¬
моЭДС Ех9 полученной от образца, по
формулеА = **^Ц<)0 - Fk,M£, -Ех) % ,Еэгде Еэ - термоЭДС эталонного образца, в
котором прошел 100 %-ный распад аусте¬
нита, VK3 - содержание карбидной фазы вэталоне (определяется методами карбид¬
ного анализа)При расчете А предполагается, что
содержание карбидной фазы в эталоне и
исследуемых образцах одинаково В каче¬
стве эталона может быть взят образец,
подвергнутый закалке, обработке "холо¬
дом" и низкотемпературному отпускуДля случая разных знаков Ех и Еэ
формула для расчета А имеет вид^э+ИтахГ
= с’(Еъ-Ех)%,
где |£mdX|- модуль наибольшей отрица¬
тельной величины термоЭДСВ случае применения дифференци¬
ального термоэлектрического датчикаА = с”Етфф%,где £дифф - дифференциальная термоЭДСот эталона и деталиВ указанных выражениях к, к\ с, с'и с” - постоянные величины для контро¬
лируемого материала Их определяют по
образцу с известным содержанием оста¬
точного аустенита (например, определив
его магнитным или рентгеновским мето¬
дами)Определить количество остаточного
аустенита в стали термоэлектрическим
способом можно на деталях любых формы
и размеров, проходящих как сквозную, так
и поверхностную закалкуТермоэлектрические методы также
широко используются при контроле тол-
щин проводящих (как магнитных, так и
немагнитных) покрытий на проводящей
магнитной или немагнитной основе Сущ¬
ность метода заключается в том, что при
контактном подводе тепла со стороны
внешней поверхности покрытия по его
толщине устанавливается определенная
разность температур, которая зависит от
толщины покрытия, размера площадки
подвода тепла и теплофизических свойств
материалов покрытия и основы
СРЕДСТВА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НК643Контроль толщины покрытий и слоев
осуществляется, в основном, по одной из
двух схем измерения В первом случае
горячий и холодный электроды распола¬
гаются на внешних сторонах образца
(рис 9 24, а), во втором случае электроды
располагаются только на одной из сторон
образца (рис 9 24, б) При этом на внеш¬
них поверхностях слоев а и b поддержи¬
ваются тем или иным способом постоян¬
ные температуры 0Ь 03 или 04, обеспечи¬
вая между горячим и холодным электро¬
дами определенные разности температур
На границе между слоями в состоянии
теплового равновесия устанавливается
температура 02Направление теплового потока Qопределяется значениями температур 01 и03 или 04 В рассматриваемых случаях
0! > 02 > 03 или 04 ТермоЭДС Е каж¬
дой цепи измеряется вольтметром, вклю¬
ченным между нагреваемым 1 и холодным2 электродами, контактирующими соот¬
ветственно с внешними поверхностями
слоев Соединительные провода 3, имею¬
щие в местах соединения с электродами и
вольтметром температуру 0О, не создают
дополнительной термоЭДССуммарная термоЭДС Е, генерируе¬
мая рассматриваемыми термоэлектриче¬
скими цепями, определяется выражениемЕ = Ех+ Е2 + Еъ,где Ех - термоЭДС, возникающая на гра¬
нице горячего электрода и покрытия и опре¬
деляемая выражением £,=(5,-^)©,,
Е2 - термоЭДС, возникающая на границе
покрытия и основы и определяемая выра¬
жением Е2 = (Sa - Sb)(&2 9 Еъ - термоЭДС,возникающая на границе основы и холод¬
ного электрода и определяемая выражени¬
ем Е3 = fe-Sj©3 , или в случае схемы на
рис 9 24, б термоЭДС, возникающая на гра¬
нице покрытия и холодного электрода и оп¬
ределяемая выражением E3={sa-s2)eA,
S{, S2, Sa и Sb - термоэлектрическиеРис. 9.24. Схема реализации
термоэлектрического метода контроля
толщины слоя при расположении
электродов:а- на внешних сторонах образца, б- на одной
стороне образцаспособности материалов горячего и хо¬
лодного электродов, слоев а и Ъ , 0О -
температура окружающей среды, 01 -
температура горячего электрода в точке
касания со слоем а, 02 - температура на
границе слоев а и Ъ , 0з - температура в
точке касания холодного электрода со
слоем Ъ , 04 - температура в точке каса¬
ния холодного электрода со слоем аВыражение для Е можно представить
в видеЕ = (5, - Sfa + {sa -sh)&2 + (sb - s2)e 3ИЛИE = (sl - S.)©, + (Sa-Sb)®2+ (Sa - S2)©4В том случае, если электроды 7 и 2
выполнены из тех же материалов, что
покрытие и основа при использовании
первой схемы, и оба выполнены из того
же материала, что покрытие при исполь¬
зовании второй схемы, выражение для
ЭДС упрощается до вида Е = (Sa- Sb)G2Электроды, используемые для кон¬
троля толщины слоев, могут быть изго¬
товлены из одного и того же материала
или из разных Нагреваемый электрод
должен иметь, по возможности, высокую
теплопроводность Материалы электродов
выбираются с учетом термоэлектрических
свойств и теплопроводности материалов
слоев при близкой теплопроводности
644Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯэтих материалов термоэлектрическая спо¬
собность материала электрода может быть
любой, при существенно различающейся
теплопроводности слоев необходимо учи¬
тывать величину и знак их термоэлектри¬
ческих способностей, при близких значе¬
ниях термоэлектрических способностей
материалов слоев материал электрода
должен максимально от них отличаться по
термоэлектрическим свойствамПри термоэлектрической толщино-
метрии покрытий в случае постоянства
температур 01 и 03 или 04, температура
на границе стыка слоев а и Ъ является
функцией их толщины Причем при кон¬
тактной поверхности горячего наконеч¬
ника, намного большей толщины покры¬
тия, эта функция практически линейна
Если же контактная поверхность наконеч¬
ника меньше толщины покрытия или рав¬
на ей, функция становится нелинейной
Поэтому термоэлектрический метод, в
основном, применяется для контроля тон¬
ких слоев (50 80 мкм) при разности
термоэлектрических способностей мате¬
риалов слоев не менее 20 мкВ/К, хотя воз¬
можно его применение и для контроля
больших толщинОднако температура на границе раз¬
дела слоев зависит не только от толщины
слоев и температур на их поверхностях, но
и от целого ряда других факторов, прежде
всего, от вида теплового поля внутри кон¬
тролируемого образца, степени неодно¬
родности тепловых и электрических
свойств материалов слоев и электродов,
точности поддержания температур 01 и 03
или 04, усилия прижатия, площади кон¬
такта электрода с контролируемым изде¬
лием, шероховатости поверхностей и дру¬
гих Поэтому практически все термоэлек¬
трические приборы не позволяют контро¬
лировать толщину покрытий с погреш¬
ностями, меньшими ±15%Приборы для контроля толщин по¬
крытий могут быть построены как по про¬
стой, так и по дифференциальной схемам.9.5.2. Примеры конструктивныхрешенийНа основании вышеизложенных
принципов разработан ряд термоэлектри¬
ческих устройств для контроля химиче¬
ского состава и структуры материалов, их
тепловых и механических свойств, для
сортировки материалов по физико¬
химическим свойствам, по маркам, для
контроля толщины покрытий и слоев, ка¬
чества поверхностных слоев, термоэлек¬
трической неоднородности проволок и т п
Примеры наиболее широко используемых
термоэлектрических средств НК приведе¬
ны втабл 9 199.5.3. Промышленные средства
термоэлектрического НКНа основе устройств, аналогичных
приведенным в табл 9 19, в настоящее
время промышленностью выпускается ряд
типов приборов для контроля примесей в
сталях, в том числе по ходу плавки Полу¬
чили распространение, в частности, при¬
боры К-2, К-17, разработанные в Магни¬
тогорском горно-металлургическом ин¬
ституте им Г И Носова Приборы типа
УОМТ и ИТЭС рекомендованы Всесоюз¬
ным научно-исследовательским инстру¬
ментальным институтом для определения
содержания углерода в стальной ленте при
контроле обезуглероживающей активно¬
сти соляных ванн Для широких исследо¬
вательских целей предназначен прибор
TERMOTESTУказанные приборы имеют различ¬
ные преимущества при решении конкрет¬
ных задач контроля Основным их недос¬
татком является отсутствие цельной кон¬
струкции как правило, это комбинации из
приборов широкого назначения, таких как
гальванометры, микроамперметры, потен¬
циометры и др Они громоздки, сложны в
обслуживании Выбор температуры элек¬
тродов зависит от чувствительности реги¬
стрирующих устройств, в большинстве
случаев она превышает 100 150 °С, что
9.19. Примеры средств термоэлектрического неразрушающего контроляСхема устройстваОписание1 - горячий электрод, 2 - холодный электрод,
3, 11 - металлические блоки, 4, 12 -
дифференциальная термопара, измеряющая
разность температур между блоками 3 и 11,5 - металлический блок для размещения
соединительных проводов, обеспечивающий
одинаковую температуру в местах соедине¬
ний, 6, 7 - ограничители потока тепла, 8 -
измеритель термоЭДС в цепи электрод 1 -
ОК - электрод 2, 9 - схема терморегулиро¬
вания, 10- нагревательный элементТермодатчик входит в состав серийно
выпускаемого прибора ПИТ-2, аттестован
как средство определения процентного со¬
держания углерода в сталях, может исполь¬
зоваться также для контроля других приме¬
сей и разбраковки материалов по маркам,
кроме того, позволяет осуществлять кон¬
троль как качества и структуры металлов и
сплавов, так и толщины электропроводящих
покрытий, при небольшой конструкторской
доработкеПрименяется для контроля листовых и
цилиндрических изделий и не пригоден для
контроля сферических изделий из-за доста-
точно больших габаритов 1 - электроды, 2 - пружины, 3 - измери¬
тельный осциллограф, 4 - нагреватель, 5 -
источник импульсного тока, б - вакуумная
камераУстройство предназначено для прове¬
дения физико-химического анализа метал¬
лов и сплавов по их термоэлектрической
способности в температурном диапазоне до
3000 °С, которая рассчитывается по значе¬
нию термоЭДС, создаваемой между элек¬
тродами /, к которым крепятся стержни,
один из исследуемого материала, а другой -
из эталонного При измерении замыкание
термопарной цепи производится одноразо¬
вым касанием нагревателя 4 со стержнями,
закрепленными на электродах 1 Наличие
промежуточного нагревателя не вносит
вклад в значение термоЭДС, так как все
точки контакта находятся при одной темпе¬
ратуреСРЕДСТВА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НК 645
Продолжение табл 9 19Схема устройстваОписание1 2 4 10 111 - камера из коррозионностойкой стали,
2, 22 - нагреватели, 3 - крышка, 4, 5 -
стойки, 6, 7 - держатели ОК (серебро),
8 - зажим, 9 - ОК, 11 - спаи хромель-
алюмелевых термопар, 12, 13 - контакт¬
ные окончания элементов сравнения,
14 - переключатель, 15 - металлический
блок для размещения проводов с термо¬
парами, 16 - сосуд Дьюара с тающим
льдом, 17 - микровольтметр, 18 - галь¬
ванометр, /9, 20 - соединительные про¬
вода, 21 - источник стабилизированного
тока, 23 - вентилятор, 24, 25 - регули¬
руемые источники напряженияУстройство экспресс-контроля позволяет за
один цикл нагрева определить термоэлектриче¬
скую способность материала и его удельное элек¬
трическое сопротивление, а по их значениям -
химический состав контролируемого сплаваРазность температур между держателями б и 7
равна = 10 °С Термоэлектрическая чувствитель¬
ность исследуемого сплава равна
Е „ ЕА002-0- + S,SFe определяется также с помощью этой установки
относительно образца с известными термоэлек¬
трическими свойствами1 - элемент сравнения, выполненный в
виде диска из твердосплавного материа¬
ла, 2 - держатель, 3 - осевой стержень,4 - нагреватель элемента сравнения,5 - стакан из теплостойкой электроизо¬
ляционной пластмассы, 6 - гайка,
7 - пружина, обеспечивающая постоян¬
ное усилие прижатия, 8 - блок горячего
электрода, 9, 10 - опорные ролики, 11 -
холодньй электрод, 12 - ОК, 13 - прибор
для измерения термоЭДСУстройство предназначено для контроля хими¬
ческого состава, качества обработки металлов и
сплавов и изделий из них с плоской и цилиндри¬
ческой поверхностью, позволяет проводить экс¬
пресс-контроль Элемент сравнения устанавлива¬
ют на контролируемую поверхность ОК 72 и, при¬
ложив усилие к корпусу 8 блока горячего элек¬
трода, прорезают окисную пленку металла, осу¬
ществляя электрический контакт между диском 1
и контролируемым металлом 12 Холодный элек¬
трод 11 устанавливают на участке изделия без
окисной пленки ТермоЭДС непрерывно измеря¬
ют прибором 13 при перемещении элемента срав¬
нения 1 по контролируемой поверхности изде¬
лия 12Недостатки нагрев осуществляется не только в
зоне контакта элемента сравнения с ОК, но и во-
круг нее, что уменьшает локальность контроля646 Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Продолжение табл 919Схема устройстваОписание1 - ОК, 2 - обогреваемый электрод,3 - холодный электрод в виде подъем¬
ного столика, 4 - керамический нагре¬
вательный элемент со спиралью из
нихрома, 5 - эксцентрик, 6 - ручка для
поворота эксцентрика, 7 - шарико¬
подшипники, поднимающие столик
холодного электрода, 8 - воздушные
радиаторы, обдуваемые вентилятором
для поддержания комнатной темпера¬
туры на верхнем конце обогреваемого
электрода, 9 - грузы для обеспечения
постоянного усилия прижатия, 10 -
траверза с направляющими перемеще¬
ния нагревателя, 11 - опорная стойка,
12 - разъем, 13 - основаниеДатчик предназначен для сортировки металлов,
сплавов и изделий из них Для измерения термоЭДС
испытуемый образец помещают на подъемный сто¬
лик, поворачивают эксцентрик 5 ручкой 6 на 90°,
при этом столик поднимается, ОК упирается в горя¬
чий электрод, который слегка поднимается и давит
своим весом на ОК Отсчет значения термоЭДС
производится в момент достижения в месте контакта
горячего электрода с ОК выбранной температуры,
что фиксируется уменьшением тока по амперметру
при введении в цепь нагревателя сопротивления R
Материал горячего электрода - медь или вольфрам,
хромМожет использоваться для определения количе¬
ства остаточного аустенита в сталях по значениям
термоЭДС, полученным от эталонного образца £э и
контролируемого изделия Ех1 - ОК, 2 - горячий электрод, 3 - хо¬
лодный электрод в виде столика, 4 -
нагреватель электрода 2, 5 - эталоны,б - эксцентрик с ручкой, 7 - керамиче¬
ский каркас нагревателя, 8 - тепловая
изоляция, 9 - барабан с кассетами для
восьми эталонов, 10 - ручка с клювом
и шариковым фиксатором для уста¬
новки заданного эталона в плоскости
перемешения горячего электрода, 11 -
добавочные грузы для создания задан¬
ного усилия прижатия, 12 - разъемПроходной дифференциальный датчик использу¬
ется для сортировки относительно мелких деталей
Каждый эталон вставляется в барабан и закрепляет¬
ся винтом Винты служат вторым холодным элек¬
тродом Горячий электрод вместе с нагревателем
может перемещаться в вертикальном направлении
на 3 5 мм Это позволяет прижимать его концы к
эталону и испытуемому изделию с постоянной си¬
лой, что обеспечивает хорошую воспроизводимость
результатов измерений Провода от обоих холодных
электродов и от нагревателя через разъем 12 подво¬
дятся к пульту управления термоэлектрического
прибораМожет использоваться для определения количе¬
ства остаточного аустенита в сталях по значениям
термоЭДС, полученным от эталонного образца Е,
или контролируемого изделия Ех £СРЕДСТВА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НК
Продолжение табл 9 19Схема устройстваОписание1 - ОК, 2 - горячий электрод, 3 - холодные
электроды, 4 - нагреватель, 5 - эталоны, 6 -
корпус накладного датчика из металла, слабо
проводящего тепло (аустенитная сталь), 7 -
текстолитовые направляющие, 8 - тепловая
изоляция, 9 - трубчатые кожухи электродов,
10 - керамический каркас нагревателя, 11 -
керамический кожух нагревателя, 12 - кнопка,
за которую оттягивается барабан с эталонами от
ОК, 13 - рукоятка датчика, 14 - пружина для
создания постоянного усилия прижатия, 15 -
барабан с эталонами, 16 - ручка с клювом для
поворота барабана до нужного эталона, 17 —
разъемНакладной дифференциальный датчик предна¬
значен для сортировки материалов При сортировке
нулевым методом между деталью и горячим элек¬
тродом возникает термоЭДС, равная по величине и
обратная по знаку термоЭДС между эталоном и го¬
рячим электродом Изменения микроструктуры и
химического состава материала ОК вызывают от¬
клонения указателя гальванометраСортировка по методу знака термоЭДС произво¬
дится при эталоне, когда результирующие значения
термоЭДС в зависимости от марок материала изме¬
няют знак Эталоны изготовляют в виде цилиндров
или пластин переменного сеченияМожет использоваться для определения количе¬
ства остаточного аустенита в сталях по значениям
термоЭДС6 7,1 - станина, 2 - горизонтальные на¬
правляющие, 3 - опорная стойка, 4 -
ось, 5 - коромысло, 6 - медный изме¬
рительный щуп, 7 - нагреватель в виде
спирали, 8 - цилиндрический полый
конденсатор с измеряемым пленочным
ОК, 9 - латунные шайбы с лимбом для
отсчета угла поворота конденсатора,10 - толстостенная латунная трубка с
резьбой на концах, через которую про¬
качивается термостатическая жид¬
кость (вода, спирт, трансформаторное
масло и др ) для обеспечения постоян¬
ства температуры пленочного ОК, 11 -
гайки, 12 - глухая шайба для гермети-
зации латунной трубки 10Устройство предназначено для контроля сцепле¬
ния соприкасающихся конденсированных сплавов
Тепловой и электрический контакт между острием
щупа и поверхностью образца в заданной точке
обеспечивается силой тяжести измерительного щупа
и коромысла Постоянный нагрев исследуемого по¬
крытия приводит к значительному по площади про¬
греву контролируемого материала и снижает ло¬
кальность измерения В результате прибор дает не¬
которую интегральную характеристику свойств на¬
несенного покрытия648 Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Продолжение табл 9 19Схема устройстваОписание1 - центральный стержень горячего
электрода, 2 - теплоизоляционная
пластина электрода, 3 - измеритель¬
ный наконечник, 4 - прижимное уст¬
ройство, 5 - нагревательный элемент,6 - термопара, 7 - холодный электрод,
8 - схема терморегулирования, 9 -
решающее устройство, 10 - задатчик
промежутка времени, 11 - показы¬
вающий прибор, 12- ОКУстройство предназначено для контроля тепло¬
проводности материалов на основе полученных за¬
висимостей этой теплопроводности от температуры
в контакте горячих электродов с ОК Кроме того, с
помощью установленных корреляционных связей
между термоэлектрической способностью материала
и его механическими характеристиками определя¬
ются твердость материала, относительное удлинение
образцов, пределы текучести и прочностиВ момент контакта горячего электрода с образ¬
цом фиксируется термоЭДС, характерная для кон¬
тролируемых образцов при определенной темпера¬
туре, а через промежуток времени т по градиенту
термоЭДС определяется коэффициент, характери¬
зующий теплопроводность испытуемых материалов1 - корпус, 2 - крышка, 3 - стержень
из непроводящего материала, в кото¬
рый запрессованы измерительный 4 и
нагревательный 5 наконечники, 6 -
конусы наконечников 4 и 5 со сфери¬
ческими окончаниями. 7 - пружина,
обеспечивающая постоянное усилие
прижатия, 8 - ОК, 9 - обмотка элек¬
тромагнита для фиксации ОК, 10 -
конденсатор, 11 - ключ, 12 - за-
поминайщий осциллограф С8-19Устройство используется для контроля микро¬
твердости и качества поверхностного слоя изделий
из металлов и сплавовНагрев ОК производится за счет разряда конденса¬
тора 10 В цепи разряда (конденсатор 10 - ключ 11 -
наконечник нагрева 5 - контролируемое изделие 8 -
конденсатор 10 проходит импульс тока, амплитуда
которого определяется напряжением на конденсато¬
ре, а длительность - постоянной времени цепи раз¬
ряда Температура нагрева материала ОК не должна
превышать 110 °С, чтобы исключить структурные
изменения в поверхностных слоях контролируемого
материала Измеряют S0h поверхностного слоя Раз¬
брос результатов измерения характеризует неодно¬
родность поверхностного слоя Значения S0K сравни¬
вают со значениями эталонного образца с извест¬
ными значениями твердости поверхностного слояos40СРЕДСТВА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НК
Продолжение табл 9 19Схема устройстваОписание1 - холодный электрод, 2 - горячий
электрод, 3, 4 - термопары для изме¬
рения перепада температур между
электродами, 5 - термопары, 6, 7 -
регулирующие приборы, 8 - пре¬
образователь, 9 - цифровой вольтметр,
10, 11 - блоки питания, 12, 13 - при¬
воды механизмов перемещения горя¬
чего и холодного электродов, 14 -
блок разрешения перемещения горяче¬
го электрода, 15 - блок автоматиче¬
ского отведения горячего электрода и
фиксации измеренного значения термо¬
ЭДС, 16- ОК, 17— сигнальная лампаАвтоматизированное устройство для контроля
структуры и содержания кремния в чугуне и стали,
углерода в стали и в других изделиях с плоской,
цилиндрической, сферической поверхностями имеет
высокую чувствительность за счет увеличения пере¬
пада температур между электродами (холодный
электрод имеет температуру -20 °С -30 °С при
температуре горячего электрода 220 °С), обеспечи¬
вает одинаковое усилие, удерживающее ОК между
горячим и холодными электродами, обеспечивает
стабильные температурные условия измерения, ис¬
пользование регистрирующего прибора1 - горячий термощуп с конусным
окончанием, 2 - нихромовый нагрева¬
тель, 3 - хромель-копелевая термопара
(служит источником ЭДС для на¬
стройки прибора на нуль при установ¬
ке термощупа на ОК), 4 - холодный
термощуп, 5 - гальванометр, R\ - по¬
тенциометр для плавной настройки
нуля прибора, R2 - потенциометр для
корректировки чувствительности при¬
бора, 7 - ОКПрибор используется для контроля толщин
покрытий при любых сочетаниях материалов
покрытия и основы в диапазоне толщин покрытий от
долей микрометра до 1 мм На нерабочем торце
припаяна хромель-копелевая термопара 3, служащая
источником ЭДС для настройки прибора на нуль
при постановке термощупа на подложку Концы
термопары присоединены к потенциометру для
плавной настройки нуля Градуируется при
введенном наполовину сопротивленииПостоянство усилия прижатия термощупа к дета¬
ли обеспечивается в выносных датчиках пружиной
или грузом Для получения стабильных показаний
щуп изготовляют из закаленной конструкционной
стали, спираль нагревателя питают стабилизирован¬
ным током, необходимо соблюдать определенный
ритм 2 10 измерений в минуту650 Глава 9 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
СРЕДСТВА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НК651влечет за собой увеличение размеров за
счет теплоизоляции, необходимость час¬
той зачистки и замены электродов, сокра¬
щение срока службыПрименяются также приборы N-1,
ПМС-МП, которые снабжены электрон¬
ной схемой усиления сигнала Однако
разность температур между электродами
автоматически не поддерживается, преоб¬
разователи имеют стационарное исполне¬
ние В силу указанных особенностей эти
приборы используются преимущественно
в лабораторных условияхК более современным по техниче¬
скому исполнению следует отнести при¬
бор TEVOTEST (Институт Ферстера,
ФРГ) и выпускаемый Запорожским опыт¬
ным заводом дефектоскопии прибор ТЭП-
10к Прибор ТЭП-10к разработан Всесо¬
юзным институтом авиационных материа¬
лов (ВИАМ) совместно с Научно-исследо¬
вательским институтом интроскопии
(НИИИН) Обе разработки выполнены в
виде чувствительного электронного блока,с помощью которого осуществляются из¬
мерение термоЭДС и регулировка темпе¬
ратуры, и гибко соединенных с ним щупов
с электродами сравнительно слабого на¬
грева Основное назначение этих прибо¬
ров - сортировка металловДостаточно успешно для контроля
различных термоэлектрических характе¬
ристик материалов и сортировки применя¬
ется описанный выше прибор ПИТ-2Одним из наиболее известных явля¬
ется прибор английской фирмы "Радар
лимитед" для контроля никелевых покры¬
тий на деталях из меди, латуни, цинка и
стали, получаемых литьем под давлением
Поверхность деталей перед нанесением
покрытия не подвергается дополнитель¬
ной обработке Диапазон измеряемых
толщин составляет 6 50 мкм Погреш¬
ность измерения не превышает ± 15 %
Основным недостатком прибора является
относительно большая площадь поверхно¬
сти, необходимая для измерения (не менее
50 мм2)
Глава 10ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ, ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ
ПОРОШКОВЫЙ МЕТОДЫ И МЕТОД ЭКЗОЭЛЕКТРОННОЙ
ЭМИССИИ10.1. ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСТВОТрибоэлектрические методы НК от¬
носятся к группе генераторных методов и
заключаются в регистрации величины
электрических зарядов, возникающих в
ОК при трении разнородных материалов
В основу методов НК данной группы по¬
ложены различные явления, сопровож¬
дающие трение тел и приводящие к фор¬
мированию электрических зарядов Ука¬
занные явления обычно объединяются
общим понятием - трибоэлектричествоТрибоэлектричество - возникнове¬
ние электрических зарядов при трении
двух разнородных тел Это явление на¬
блюдается при взаимном трении двух ди¬
электриков, полупроводников или про¬
водников различного или одинакового
состава, но различной плотности, при тре¬
нии металлов о диэлектрики, при несим¬
метричном трении двух химически одина¬
ковых диэлектриков, при трении жидких
диэлектриков друг о друга или о поверх¬
ность твердых тел, при трении газов о по¬
верхность твердых тел и в других подоб¬
ных случаях При этом всегда электризу¬
ются оба вещества, участвующие в тре¬
нии, - их заряды одинаковы по величине,
но противоположны по знакуТрибоэлектричество характеризуется
рядом закономерностей При трении двух
химически одинаковых тел положитель¬
ные заряды получает более плотное тело
Металлы при трении о диэлектрик элек¬
тризуются отрицательно, но если поверх¬
ность металла окислена, то могут возни¬
кать и положительные заряды При тре¬
нии диэлектриков положительно заряжа¬
ется тот диэлектрик, у которого большезначение диэлектрической проницаемости 8Для удобства применения различные
материалы расположили в трибоэлектри¬
ческие ряды, в которых при взаимном на¬
тирании предыдущее тело электризуется
положительно, а последующее отрица¬
тельно [ряд Фарадея (+) мех, фланель,
слоновая кость, перья, горный хрусталь,
флинтглас, бумажная ткань, шелк, дерево,
металлы, сера (-)] Диэлектрики, распо¬
ложенные в трибоэлектрическом ряду,
устанавливаются в порядке убывания их
твердости [ряд Гезехуса (+) алмаз (тв 10)
топаз (тв 8), горный хрусталь (тв 7), глад-
ское стекло (тв 5), слюда (тв 3), кальцит
(тв 3), сера (тв 2 ), воск (тв < 1) (-)] Для
металлов характерна обратная зависи¬
мостьУ жидких диэлектриков положи¬
тельный заряд приобретает то вещество,
которое имеет большую диэлектрическую
проницаемость 8 или большее поверхно¬
стное натяжение Электризация веществ
тем больше, чем больше поверхность на¬
тирающего тела Пыль, скользящая по
поверхности тела, из которого она образо¬
валась (мрамор, стекло, снежная пыль),
электризуется отрицательно При про¬
сеивании порошков через сито порошки
заряжаются Так, порошки из серы и су¬
рика, просеянные раздельно, заряжаются
отрицательно, вместе - зарядами различ¬
ного знака (сера - отрицательно, сурик -
положительно) за счет трения между час¬
тицами При разбрызгивании жидкостей,
например при ударе о твердую или жид¬
кую поверхность, наблюдается электриза¬
ция как жидкости, так и окружающего
газа, причем знаки зарядов зависят от рода
газа Электризация наблюдается также при
ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСТВО653прохождении газов через жидкостиЯвление трибоэлектричества сильно
осложняется внешними факторами (нали¬
чием пленок влаги на поверхности и за¬
грязнением поверхности, эффектами на¬
гревания при трении и т п ) Поэтому экс¬
периментальные результаты, полученные
различными авторами, часто противоречат
друг другу Особенно это относится к три¬
боэлектрическим рядамВ основе трибоэлектричества
твердых тел лежат контактные явления
При взаимном трении двух твердых тел
отдельные локальные участки поверхно¬
сти этих тел вступают в контакт и затем
разделяются В момент контакта происхо¬
дит переход электронов и ионов от одного
тела к другому Конгакгная электризация
двух металлов, двух полупроводников,
металла и полупроводника обусловлена
переходом электронов через границу раз¬
дела от вещества с меньшей работой вы¬
хода к веществу с большей работой выхо¬
да При контакте металла и диэлектрика
электризация возникает за счет перехода
электронов из металла в диэлектрик и
перехода ионов того или иного знака из
диэлектрика на поверхность металла В
случае контакта двух диэлектриков элек¬
тризация обусловлена диффузией носите¬
лей тока из одного вещества в другоеВ процессе трибоэлектричества су¬
щественную роль может играть нагрева¬
ние тел при их трении В частности, при
несимметричном трении двух химически
одинаковых веществ поверхность одного
из тел нагревается больше, что вызывает
переход носителей тока с локальных не¬
однородностей поверхности этого тела на
другой тело ("истинное" трибоэлектриче¬
ство) В случае контакта двух диэлектри¬
ков, отличающихся только своей плотно¬
стью, из более плотного вещества будет
диффундировать больше электронов и оно
зарядится положительно, при контакте
двух диэлектриков с разной диэлектриче¬
ской проницаемостью г из вещества с
большей г будет переходить больше элек¬тронов, так как в нем силы взаимодейст¬
вия слабее, поэтому вещество зарядится
положительноПричиной трибоэлектричества может
служить также механическое удаление от¬
дельных участков поверхносги материала
Трибоэлектричество жидкостей
связано с появлением двойных электриче¬
ских слоев на поверхностях раздела двух
жидких сред или на границах жидкость -
твердое вещество При трении жидкостейо металлы в процессах течения или раз¬
брызгивания при ударе электризация воз¬
никает за счет электролитического разде¬
ления зарядов на границе металл - жид¬
кость Электризация при взаимном трении
двух диэлектрических жидкостей - след¬
ствие существования двойных электриче¬
ских слоев на поверхности раздела жидких
сред с разной 8, при этом жидкость с
большей 8 заряжается положительно, а с
меньшей - отрицательно (правило Ко¬
эна) Разрушением двойных электриче¬
ских слоев на границе жидкость - газ объ¬
ясняется электризация при разбрызгива¬
нии жидкостей вследствие удара о поверх¬
ность твердого диэлектрика или о по¬
верхность жидкости (электризация в во¬
допадах)Трибоэлектричество в ряде случае
может привести к нежелательному накоп¬
лению статических зарядов, что можно
устранить заземлением металлических
деталей, увеличением проводимости ди¬
электриков, применением разрядников,
ионизацией воздуха При создании же ме¬
тодов НК трибоэлектричество является
источником измерительной информации о
состоянии ОК10.2. ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ10.2.1. Физические основыАнализ накопленного теоретического
и практического опыта позволяет всю со¬
вокупность процессов электрической при¬
654 Глава 10 ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ, ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МЕТОДЫроды условно классифицировать по виду
их собственных источников Условность
данной классификации определяется ог¬
раниченными возможностями практиче¬
ского разделения электрических сигналов,
генерируемых отдельными источниками
Определенные достижения в решении
данной задачи относятся к выделению
ЭДС, в частности термоЭДС, на фоне раз¬
личных составляющих суммарного тока,
генерируемого в зоне трения (глава 9),
некоторые методы позволяют выделить
сигналы термо- и экзоэлектронной эмис¬
сий В большинстве же случаев выделение
сигнала, генерируемого отдельным источ¬
ником, является сложной, а порой нераз¬
решимой проблемой, поэтому необходи¬
мую информацию об ОК при реализации
грибоэлектрических методов часто полу¬
чают путем анализа суммарного электри¬
ческого сигналаОсновными источниками электриза¬
ции деталей трибосопряжения являются
гальваноЭДС и термоЭДС, при этом, од¬
нако, заметный вклад в суммарный элек¬
трический сигнал вносят различные про¬
цессы, связанные с эмиссией электронов
(экзоэлектронная и термоэлектронная
эмиссия, эмиссия электронов высоких
энергий, электроакустические и электро-
адгезионные явления)Механизм термоэлектронной эмис¬
сии заключается в том, что с повышением
температуры в зоне трения (в точках каса¬
ния микронеровностей она может дости¬
гать температуры плавления материалов
трибосопряжения) увеличивается число
электронов, обладающих энергией, доста¬
точной для совершения работы выхода
электрона из материала При этом возни¬
кает поток электронов, испускаемых зо¬
ной трения, а плотность этого потока оп¬
ределяется температурой поверхностей
трущихся деталейОсновы теории термоэлектронной
эмиссии были разработаны еще в 1902 г
О. Ричардсоном В соответствии с этой
теорией ток с единицы поверхности на¬
гретою металла, находящейся при одно¬родной абсолютной температуре 0, опре¬
деляется по формулеI = A02e~w‘/(-k&\где А - постоянный множитель, к - посто¬
янная Больцмана, WB - работа выхода,
характерная для данного металла, но зави¬
сящая от состояния его поверхностиРабота выхода определяется мини¬
мальной энергией, необходимой для уда¬
ления электрона с поверхности металла В
1927 г на основе квантовой механики
С. Дэшманом была уточнена формула
Ричардсона и установлено, что множитель
А имеет вид. 4ктк2 е К „ 2 2ч
А = = 120 А/(см град ),hгде т, е - масса и заряд электрона, h - по¬
стоянная ПланкаНа практике величина коэффициен¬
та^ может существенно отличаться от
определяемого по приведенной формуле
значения Например, если испускающая
электроны поверхность неоднородна, на
ней будут "пятна" с температурой, отли¬
чающейся от некоторого среднего значе¬
ния Эмиссия электронов из "пятен" с
большей температурой более интенсивна,
и полный ток может оказаться гораздо
больше теоретическогоЭмиссия электронов остается незна¬
чительной, пока температура не достигнет
значения WJkДругим явлением, сопровождающим
трение тел и приводящим к их электриза¬
ции, является экзоэлектронная эмиссия
Она характеризуется излучением электро¬
нов, которое возникает после возбуждения
поверхности твердых тел Данную эмис¬
сию вызывает механическая обработка
материалов, их раскалывание, растяжение,
изгиб, трение Кроме того, экзоэлектрон¬
ная эмиссия связана со структурными и
химическими превращениями в поверхно¬
стных слоях трущихся тел, а облучение
различной физической природы (рентге¬
новское, ультрафиолетовое) приводит к
ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ 655росту интенсивности эмиссии После пре¬
кращения действия источника возбужде¬
ния и стабилизации свойств поверхности
экзоэлектронная эмиссия затухает, причем
скорость затухания зависит от окружаю¬
щих условий температуры, освещенно¬
сти, состава атмосферыОпуская рассмотрение других явле¬
ний, приводящих к электризации трущих¬
ся тел, отметим общие закономерности,
используемые в трибоэлектрических ме¬
тодах НК при трении, при механической
обработке поверхности материала (отры¬
вы частиц металла с поверхности), при
возникновении механических напряжений
в материале, сопровождаемых трещино-
образованием, при повышении температу¬
ры трущихся деталей, при протекании в
зонах трения химических процессов про¬
исходит формирование на поверхностях
трущихся деталей электрических зарядов
В моменты размыкания электриче¬
ской цепи трибосопряжение представляет
собой источник тока, а при подключении
пары трения к внешнему сопротивлению
на последнем создается падение напря¬
жения Полученный таким образом
электрический сигнал обобщенно
называют трибоЭДС.Спецификой процессов, которые со¬
провождаются генерированием трибоЭДС,
является то, что частота таких сигналов
может существенно превышать частоту
сигнала, вызванного другими источника¬
ми (термоЭДС, гальваноЭДС) Например,
электрические колебания, обусловленные
электроакустическим эффектом, лежат в
диапазоне от десятков кГц до единиц
МГц, т е совпадают со спектром акусти¬
ческой эмиссии Процессы экзоэлектрон-
ной эмиссии и эмиссии электронов высо¬
ких энергий характеризуются еще более
высокочастотным спектромРассмотренные электрические явле¬
ния сопровождают любое фрикционное
взаимодействие, а параметры генерируе¬
мой ОК трибоЭДС (частота, амплитуда,
интенсивность и др) зависят от характераэтого взаимодействия и могут использо¬
ваться в качестве контролируемых, несу¬
щих информацию о характеристиках про¬
цессов трения, качестве трущихся поверх¬
ностей и состоянии ОК в целом10.2.2. Объекты и методы контроляНепосредственная связь трибоЭДС с
процессами изнашивания материалов уз¬
лов трения, с процессами дефектообразо-
вания и с условиями фрикционного взаи¬
модействия в целом позволяет использо¬
вать параметры генерируемой трибоЭДС
при контроле технического состояния де¬
талей трибосопряжений, а также режимов
работы пар трения и режимов резания На
рис 10 1 представлены основные направ¬
ления эффективного использования три¬
боэлектрических методов НКУхудшение технического состояния
ОК, вызванное формированием дефектов
рабочих поверхностей деталей (изделий),
переходом фрикционных контактов к ре¬
жиму граничного трения, снижением эф¬
фективности функционирования систем
смазывания, ухудшением показателей ка¬
чества смазочного материала и т п , акти¬
визирует рассмотренные выше электрофи¬
зические процессы и явления в зонах тре¬
ния В свою очередь это приводит к изме¬
нению регистрируемых в процессе кон¬
троля параметров трибоЭДС Таким обра¬
зом, в качестве ОК выступают- узлы трения,- детали трибосопряжений,- диэлектрические материалы и изде¬
лия;- системы смазывания,- режимы эксплуатации узлов трения
(режимы механической обработки мате¬
риалов),- эксплуатационные характеристики
смазочных материалов,- процессы структурных изменений в
поверхностных слоях материалов при тре¬
нииРассмотрим примеры реализации
трибоэлектрических методов при решении
различных задач НК
656 Глава 10 ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ, ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МЕТОДЫУзлы тренияДетали трибосопряжений
Системы смазывания
МатериалыРежимы тренияРежимы механической
обработкиКонтроль изнашивания
Контроль температурыРис. 10.1. Направления использования 1рибоэлектрических методов НКНа рис 10 2, а представлена структу¬
ра установки С.Н. Постникова, осущест¬
вляющей контроль эксплуатационных
свойств смазочных материалов Трибо-
сопряжение с исследуемым смазочным
материалом включается в цепь усилите¬
ля У элекгрического сигнала Генератор
импульсов ГИ открывает ключ К, и с вы¬
хода усилигеля на счетчик поступают им¬
пульсы трибоЭДС В качестве контроли¬
руемого параметра используется частота
импульсов, по значению которой судят о
режиме трения, а следовательно, и об экс¬
плуатационных характеристиках смазоч¬
ного материала (несущая способность
смазочного слоя, противоизносные харак¬
теристики, степень химического взаимо¬
действия смазочного материала с мате¬
риалами деталей трибосопряжения и т п)
Для оценки трибоЭДС производят
также осциллографирование выходного
сигнала усилителя На рис 10 2,6 показа¬
на структурная схема устройства, анало¬
гичного рассмотренному выше, однако
анализу подвергаются такие параметры
информационного сигнала, как амплитуда
и форма трибоЭДС Обьект контроля
подключен ко входу усилителя У с регу¬лируемым коэффициентом усиления и
входным сопротивлением 0,5 МОм В из¬
мерительную систему также входят элек¬
тронный осциллограф ЭО и запоминаю¬
щий осциллограф 30 Визуальный анализ
и запись трибоЭДС, реализуемые с помо¬
щью такого устройства, обеспечивают
оценку изменения во времени характера
трибоЭДС, а следовательно, и процессов
фрикционного взаимодействияНа рис 10 3 приведены временные
диаграммы, качественно иллюстрирую¬
щие возможность идентификации режима
трения (граничное, жидкостное трение), а
также возможность контроля интенсивно¬
сти изнашивания деталей трибосопряже¬
ния На диаграмме 1 представлен пример
записи электрического сигнала, генери¬
руемого трибосопряжением на начальной
стадии фрикционного взаимодействия
(через два часа после начала работы) Этот
период эксплуатации характеризуется по¬
вышенным изнашиванием деталей Через
четыре часа (диаграмма 2) в результате
интенсивного избирательного переноса
материалов трибосопряжения устанавли¬
вается однородная регулярная микро¬
структура рабочих поверхностей контак¬
ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ 657тирующих деталей, стабилизируется ре¬
жим трения (переход к жидкостному тре¬
нию), в результате чего происходит
уменьшение амплитуды трибоЭДС Через
десять часов работы трибосопряжения
амплитуда сигнала уменьшается в десятки
раз (диаграмма 5)Повышение эффективности контроля
изнашивания деталей пары трения может
быть достигнуто при использовании со¬
временных компьютеризированных изме¬
рительных комплексов, позволяющих
проводить цифровую обработку измерен¬
ного сигнала В частности, приведенный
на рис 10 3 пример показывает, что на
начальной стадии фрикционного взаимо¬
действия суммарный электрический сиг¬
нал, генерируемый зоной трения, содер¬
жит большую постоянную составляющую
ЭДС, которая имеет гальваническое про¬
исхождение и присутствует даже при от¬
сутствии контактного взаимодействия
деталей трибосопряжения Таким образом,
более информативными для контроля
процессов изнашивания представляются
высокочастотные составляющие трибо¬
ЭДС, которые могут быть проанализиро¬
ваны после предварительной цифровой
обработки суммарного сигналаДругим параметром, подвергаемым
контролю, является температура, как од¬
на из наиболее важных характеристик ре¬
жима работы трибосопряжения или режи¬
ма механической обработки В этом отно¬
шении в качестве примера можно привес¬
ти известный метод контроля темпера¬
туры трущихся деталей, заключающийся
в измерении термоэлектронной эмиссии
Для реализации данного метода НК в
структуру измерительной цепи вводят
электронный умножитель, располагаемый
в непосредственной близости от зоны тре¬
ния Если конструкция ОК позволяет, то
электронный умножитель вводят непо¬
средственно в одну из деталей трибосоп¬
ряжения на некотором расстоянии от по¬
верхности Электронный умножитель
осуществляет регистрацию актов термо¬
электронной эмиссии, а по значениюРис. 10.2. Схема контроля:а - эксплуатационных свойств смазочных
материалов по частоте импульсов трибоЭДС,
б - режимов трения (К - коэффициент
усиления усилителя У, R - входное
сопротивление усилителя У)выходного сигнала измерительной цепи
косвенно судят о температуре в зоне тре¬
нияНедостатком этого метода является
изменение распределения тепловых пото¬
ков в трибосопряжении, так как часть по¬
верхности детали, в которой высверлено2010U£оюК&Че1 грез 2 ч-1Че1рез 10 ч10,05
Время, сОДРис. 10.3. Временные диаграммы,
иллюстрирующие изменение характера
трибоЭДС в процессе приработки
трибосопряжения:давление зоне трения 1 МПа, относительная
скорость 2 м/с, материалы деталей трибосоп¬
ряжения медь и сталь, смазочный материал -
глицерин)22-607
658 Глава 10 ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ, ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МЕТОДЫРис. 10.4. Схема, иллюстрирующая
реализацию трибоэлектрического метода
контроля при измерении экзоэлектронной
эмиссии:1 - брусок, 2 - диск, 3 - защитные щитки,4 - детектор электронов, 5 - анод детектораотверстие и установлен датчик, не участ¬
вует в процессе трения Кроме того, элек¬
тронным умножителем фиксируется поток
электронов с поверхности, не участвую¬
щей в контакте, а после ее выхода из зоны
трения, что может приводить к снижению
эффективности контроля по параметрам
эмиссии электроновОсобенностью метода является то,
что для измерения электрического сигна¬
ла, генерируемого зоной трения, трибо-
сопряжение не включается в измеритель¬
ную цепь, что позволяет оценивать лишь
составляющую, определяемую собственно
термоэлектронной эмиссиейДанная особенность характерна и для
метода контроля, основанного на измере¬
нии экзоэлектронной эмиссии Метод
применяется для контроля качества по¬
верхностей деталей трибосопряжения и
при поиске дефектовДля реализации метода над контро¬
лируемой поверхностью устанавливают
детектор эмиссии электронов, а регистра¬
ция сигнала в функции от текущего поло¬
жения исследуемой поверхности (напри¬
мер, в зависимости от углового положения
вращающейся детали) позволяет контро¬
лировать процессы дефектообразования,
структурных и химических превращений вповерхностных слоях материала детали
пары трения На рис 10 4 приведена схема
установки, поясняющая реализацию метода
Трибосопряжение представлено бру¬
ском 1 и вращающимся диском 2 Над по¬
верхностью диска установлен с предохра¬
нением от вибраций и наводок открытый
торцевой счетчик 4 электронов специаль¬
ной конструкции с терморегулировкой и
защитой 3 от проникновения в открытое
рабочее пространство частиц износа Уст¬
ройство комплектуется аппаратурой,
включающей интегратор и самописец
Кроме того, при контроле качества рабо¬
чих поверхностей деталей процессы экзо¬
электронной эмиссии можно искусственно
активизировать, используя в качестве до¬
полнительного возбуждения ультра¬
фиолетовое или рентгеновское излучения
Этим достигается повышение эффектив¬
ности контроля, так как после выхода де¬
фектного участка рабочей поверхности из
зоны трения интенсивность экзоэлектрон¬
ной эмиссии снижаетсяДругим примером применения три¬
боэлектрического метода для целей де¬
фектоскопии является поиск дефектов в
диэлектрических пленках Для регистра¬
ции электростатических полей, созданных
зарядами на поверхности пленки при ее
контактировании с перемоточными бара¬
банами, используют датчики в виде ме¬
таллических пластин, вблизи которых со
скоростью V перемещается ОК с распре¬
деленными по его поверхности электриче¬
скими зарядами В результате электроста¬
тической индукции электрод получает с
единицы длины перемещающейся поверх¬
ности заряд q, ив электроде возникает
ток, пропорциональный скорости V дви¬
жения ОК Этот ток измеряется электро¬
метрическим усилителем, и, таким обра¬
зом, распределение зарядов на поверхно¬
сти ОК будет отображено выходным сиг¬
налом усилителя Регистрируя выходные
сигналы, можно судить о наличии неодно¬
родностей в ОК
ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ 659Рис. 10.5. Контроль диэлектрических
пленок:1 - перемоточные барабаны, 2 - ОК,3 - электроды, 4 - дифференциальный
усилитель, U - выходной сигналНа рис 10 5 приведена схема дефек¬
тоскопа для контроля диэлектрической
пленки с помощью трехэлектродного дат¬
чика, имеющего полосковые измеритель¬
ные электроды, включенные на входы
дифференциального усилителя, и зазем¬
ленный экранирующий электрод Плен¬
ка 2, контактируя с перемоточными бара¬
банами 7, электризуется в результате тре¬
ния Электрические заряды концентриру¬
ются вблизи неоднородностей пленки (пу¬
зырей, локальных изменений толщины,
инородных включений, проколов) Прохо¬
дя над датчиком, они индуцируют заряды
на электродах 3 Выходное напряжение U
дифференциального усилителя 4 (преоб¬
разователь заряда в напряжение) пропор¬
ционально разности зарядов пленки в зо¬
нах измерительных электродовДанный метод НК позволяет обнару¬
живать дефекты пленки в виде непрово¬
дящих включений и наплывов пены диа¬
метром более 0,3 мм при скорости движе¬
ния пленки V = 0,5 м/с, при зазоре между
пленкой и электродами 0,3 мм и ширине
электродов 40 мкм10.2.3. Специфика технических
средствПри использовании рассмотренных
физических принципов НК оценке и изме¬
рению подвергаются собственные источ¬
ники электрического сигнала Это опреде¬
ляет некоторые общие правила построе¬
ния технических средств контроля и алго¬ритмов сбора диагностической информа¬
цииПри контроле технического состоя¬
ния трибосопряжений в различных узлах,
машинах, механизмах в качестве техниче¬
ских средств контроля применяются изме¬
рительные системы и комплексы, позво¬
ляющие регистрировать значения трибо-
ЭДС и производить последующую обра¬
ботку измеренного сигнала Примером
такой системы является автоматизирован¬
ная система сбора и анализа данных при
трибомониторинге (САДТ-1), описанная в
разд 6 4 Спецификой измерительных це¬
пей таких систем является то, что для ре¬
гистрации малых сигналов они содержат
усилители, обеспечивающие высокие ко¬
эффициенты усиления информационного
сигнала Не менее важным является обес¬
печение заданного коэффициента усиле¬
ния в области высоких частотВ качестве вспомогательных техни¬
ческих средств применяются различные
токосъемные устройства с малым значе¬
нием собственных электрических сигна¬
лов и малым стабильным значением элек¬
трического сопротивления (глава 4), сред¬
ства экранирования помех, камеры, позво¬
ляющие проводить измерение электриче¬
ских параметров в условиях вакуума (ме¬
тоды, связанные с измерением экзоэлек-
тронной эмиссии)При контроле триботехнических ха¬
рактеристик смазочных материалов ис¬
пользуют стенды, в состав которых кроме
электронных измерительных устройств
входят машины трения В частности, из¬
вестно о применении машин трения типа
УТЭ-1, УТЭМ-1, СМЦ-2 для анализа три-
боЭДС при оценке эксплуатационных
свойств различных смазочных материалов
при различных режимах тренияВ целом, необходимо отметить, что
теория рассмотренных методов НК в на¬
стоящее время находится в развитии Это
объясняет то положение, что многие ме¬
тоды не получили широкого распростра¬
нения в практике, не находят отражения в
действующих государственных стандар-
660 Глава 10 ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ, ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МЕТОДЫгах на методы контроля и испытаний, а
большинство из описанных в данном раз¬
деле технических средств являются опыт¬
ными образцами или средствами, приме¬
няемыми в научно-исследовательской
практике Тем не менее, ряд несомненных
достоинств грибоэлектрических методов
НК делает их перспективными, объясняет
их интенсивное развитие и растущий к
ним интерес в различных отраслях про¬
мышленности10.3. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ
ПОРОШКОВЫЙ МЕТОДЭлектростатический порошковый ме¬
тод НК основывается на регистрации
электростатических полей рассеяния в ОК,
обусловленных наличием дефекгов При
реализации данного метода ОК обдувают
(мопудриваютм) наэлектризованным по¬
рошком, в результате осаждения которого
на поверхности ОК наблюдается видимое
изображение дефектов с существенным
увеличением их размеровФизическая сущность электроста¬
тического порошкового метода заключа¬
ется также в использовании трибоэлек¬
трического эффекта Наэлектризованный
диэлектрический порошок, попадая на
поверхность диэлектрического ОК, созда¬
ет на нем электростатический заряд про¬
тивоположного знака Электростатическое
поле на поверхности ОК искажайся при
наличии дефектов, например трещин, на
краях которых создаются электростатиче¬
ские поля рассеяния В результате поро¬
шок оседает на краях трещин, делая их
визуально различимымиК числу основных направлений при¬
менения электростатического порошково¬
го метода НК относятся- контроль эмалированных изделий,- контроль изделий из различных не¬
электропроводящих материалов, напри¬
мер, стеклянных изделий,- контроль спаев стекла с металломТехнические основы метода Приэлектростатическом порошковом методеНК в качестве наэлектризованного по¬
рошка используются обычно частицы кар¬
боната кальция, распыляемые пульвериза¬
тором, имеющим сопло из твердой рези¬
ныКарбонат кальция СаС03 (минерал
кальцит) главный породообразующий ми¬
нерал карбонатных пород мела, известня¬
ка, мрамора - широко распространен в
природе Главное применение в строи¬
тельстве, наполнение бумаги и косметиче¬
ских препаратов Карбонат кальция в три¬
боэлектрическом ряду стоит выше твер¬
дой резины, поэтому его частицы при
взаимодействии с соплом заряжаются по¬
ложительноКонтроль металлических изделий с
диэлектрическим покрытием Если в
диэлектрическом покрытии существуют
трещины, то электрическая прочность по¬
крытия в этом месте будет значительно
понижена и отрицательный заряд, образо¬
вавшийся на поверхности раздела после
оседания положительных частиц на по¬
верхность диэлектрика, будет стремится к
утечке и образованию электрического по¬
ля, направленного вниз в непосредствен¬
ной близости к дефектному месту, как это
показано на рис 10 6, а и б Все это при¬
ведет к осаждению дополнительных час¬
тиц в зоне дефекта и, как следствие, к
формированию хорошо видимого порош¬
кового изображения дефекта (рис 10 6, в)
Если диэлектрическое покрытие очень
тонкое, то надежное обнаружение трещи¬
ны затруднено из-за утечек электронов
через материал покрытияКонтроль диэлектрических объек¬
тов. Если объект контроля, например, из
стекла поместить в ванну с водой, содер¬
жащей смачивающее вещество, а затем
подсушить, то в трещинах останется не¬
большое количество проникающей жид¬
кости, имеющей небольшую проводи¬
мость При осаждении положительно за¬
ряженных частиц на поверхности диэлек¬
трика будут образовываться видимые изо¬
бражения трещин (см рис 10 6, в)
МЕТОДЫ ЭКЗОЭЛЕКТРОННОЙ эмиссии661©©0©vwE)©©rvl плгпа)б)©©©в)Рис. 10.6. Распределение зарядов в ОК
после его опудривания заряженным
порошком:а- со стороны дефекта, б- со стороны,
на которую трещина не выходит, в - при
формировании хорошо видимого порошкового
изображения дефектаКонтроль спаев стекла с метал¬
лом Некоторые диэлектрические мате¬
риалы могут иметь участки, плотно соеди¬
ненные с металлом, например спай стекла
с металлом у электронных изделий В
этом случае нет необходимости в приме¬
нении веществ, легко отдающих электро¬
ны, так как металлы их содержат в доста¬
точном количествеЧувствительность электростати¬
ческого порошкового метода и аппара¬
тура. Метод позволяет выявлять трещины
с раскрытием 0,1 мкм, при этом порошко¬
вое изображение трещины может иметь
ширину до 3 мм, т е происходит увеличе¬
ние в 30 ООО разДля распыления порошка используют
распылители, содержащие резервуар и
зарядное сопло, изготовленное из твердой
резины Для зарядки порошка до необхо¬
димого высокого потенциала в сопле сде¬
лано отверстие диаметром около 1 мм
Распылитель соединяется с источником
сжатого воздуха, давление которого может
регулироваться в пределах до 1,5 105 Па
Перед использованием резервуар распы¬
лителя наполняют на половину объема
порошком Подача воздуха регулируется
двумя винтами, один из которых регули¬
рует количество воздуха, проходящего
через распылитель, а другой - распределя¬
ет воздушный поток между резервуаром исоплом При работе распылителя выход
сопла располагают на расстоянии 25
75 мм от контролируемой поверхности10.4. МЕТОДЫ ЭКЗОЭЛЕКТРОННОЙ
ЭМИССИИФизический принцип данной группы
методов НК заключается в явлении экзо-
электронной эмиссии, под которой пони¬
мается испускание электронов твердым
телом, поверхность которого подверглась
механическому воздействию или облуче¬
нию, в течение некоторого времени после
этого воздействия Сущность этого явле¬
ния и направления его использования
применительно к трибосопряжениям ос¬
вещены в разд 10 2 Здесь же рассматри¬
вается применение экзоэлектронной эмис¬
сии для НК объектов, не связанных с тре¬
ниемЭкзоэпектронная эмиссия имеет
сложную природу В научной литературе
рассматриваются различные механизмы и
модели этого явленияПрежде всего, при снятии окисного
слоя с определенного участка поверхности
изделия, например, при механической об¬
работке появляется свежая металлическая
поверхность, окисление которой обуслов¬
ливает выделение значительной тепловой
энергии, способствующей эмиссии элек¬
тронов Поскольку эти процессы являются
экзотермическими, первооткрыватель это¬
го явления И. Крамер назвал эмитируе¬
мые электроны экзоэлектронами При
пластической деформации появление
эмиссии связывают с миграцией вакансий
к поверхности металла, где происходит их
локализация в окисной пленке, что приво¬
дит к перестройке энергетических уровней
в запрещенной зоне с высвобождением
некоторой энергии, сообщаемой эмити¬
руемым электронам При образовании
микротрещин, возникающих от разрывов в
окисной пленке, стенки трещины оказы¬
ваются электрически заряженными, а дно
трещины с пониженной работой выхода
действует как источник электронов Со¬
662 Глава 10 ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ, ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МЕТОДЫгласно данным химической и хемосор-
бционной теорий, причиной экзоэлек-
тронной эмиссии является взаимодействие
атомов активного газа с поверхностью
материала Известны также гипотезы (мо¬
дели), объясняющие происхождение эмис¬
сии дефектами кристаллической решеткиСледует отметить, что описанные
процессы полностью не определяют всех
характеристик экзоэлектронной эмиссии,
появление которой, по-видимому, обу¬
словлено протеканием одновременно не¬
скольких процессовПрименение экзоэлектронной эмис¬
сии в НК. Несмотря на различие во взгля¬
дах по данному вопросу известные зако¬
номерности экзоэлектронной эмиссии ак¬
тивно используются в качестве принципов
контроля при создании методов НК При
этом выделяются три основных направле¬
нияПервое направление - это поиск и
анализ поверхностных дефектов. Отли¬
чительной особенностью метода в сравне¬
нии с микроскопией и радиографией явля¬
ется возможность получения наряду с
изображением дефектов количественной
информации, характеризующей глубину
дефекта, степень окисления поверхности,
момент появления дефекта, кинетику его
роста и др Электронная эмиссия дает, по
существу, объемное изображение дефектаПерспективным считается второе
направление использование экзоэлек¬
тронной эмисии для контроля зарожде¬
ния и роста трещин при длительной экс¬
плуатации изделий, так как интенсивность
эмиссии коррелирует с площадью откры¬
той поверхности дефекта Весьма сущест¬
венно при этом резкое возрастание эмис¬
сии на стадиях, предшествующих разру¬
шению, что позволяет оперативно судить
о потере прочности изделия Исследова¬
ния показывают, что экзоэлектронная
эмиссия может продолжаться в течение
нескольких часов после образования тре¬
щины Поэтому имеется возможность ло¬
кализовать область повреждения металла,
периодически фиксируя уровень элек¬тронной эмиссии с поверхности ОК По¬
лучение экзоэлектронных изображений
дефектов с одновременным микроскопи¬
ческим анализом поверхности позволяет
определить, какие именно трещины из
всей совокупности дефектов растут в про¬
цессе эксплуатации изделий и как проис¬
ходит рост трещинНеобходимо отметить, однако, что
ввиду сложности практической реализа¬
ции данное направление в настоящее вре¬
мя находит широкое применение лишь в
научных исследованиях и в лабораторных
условиях В той же мере это справедливо
и в отношении контроля режущего инст¬
румента и режимов механической обра¬
ботки Приведенная на рис 10 4 схема,
отражающая сущность НК трибосопряже¬
ния, в значительной мере упрощена В
действительности эффективный анализ
экзоэлектронной эмиссии выполняется,
как правило, в вакуумных камерах, с при¬
менением сложной аппаратуры, что за¬
трудняет практическую реализацию мето¬
да по отношению к таким ОК, как реаль¬
ные механизмы, узлы трения или режу¬
щий инструментБолее широкое применение рассмат¬
риваемый метод НК благодаря его высо¬
кой чувствительности находит при анали¬
зе состояния поверхности различных ма¬
териалов Например, известно, что в сег-
нетоэлектриках указанная эмиссия может
быть стимулирована любым воздействи¬
ем, изменяющим полярное состояние по¬
верхности материала приложением элек¬
трического поля, изменением температу¬
ры, механическим воздействием При этом
на свойства сегнетоэлектриков в значи¬
тельной степени оказывают влияние де¬
фекты, всегда имеющиеся в номинально
чистых кристаллах, а также специально
вводимые в кристаллы при их выращива¬
нииТермо- и электростимулированная
экзоэлектронная эмиссии достаточно хо¬
рошо исследованы на образцах сегнето-
электрического кристалла триглицин-
сульфата (ТГС), как чистого, так и с при¬
МЕТОДЫ ЭКЗОЭЛЕКТРОННОЙ эмиссии663месями типа внедрения и замещения Из¬
мерения плотности тока электронной
эмиссии проводятся по стандартным ме¬
тодикам с использованием электронных
умножителей в вакууме в диапазоне тем¬
ператур от комнатной до +60 °С При этом
анализу подвергается значение эмиссион¬
ного тока в функции от температуры, т е
рассматривается так называемый эмисси¬
онный спектрТретье направление использования
экзоэлектронной эмиссии связано также с
использованием кристаллов, в частности,
кристаллов фторидов лития и натрия (LiF-
U, Me и NaF-U, Me, где Me - Си, Zn, Ti,
Pb, Sc, Sr) Оно заключается в высоко¬
температурной дозиметрии ионизирую¬
щих излучений В основу метода НК в дан¬
ном случае заложено явление зависимости
структуры выращиваемого кристалла от
условий окружающей среды В этом плане
создаваемые на базе (Li, Na)F-U, Me ра¬
бочие вещества для термоэкзоэмиссион-
ных детекторов с повышенными рабочими
температурами могут использоваться в
качестве чувствительных элементов при
дозиметрии В ряде специфических случа¬
ев (контроль радиационной обстановки
сверхглубоких скважин и хранилищ ра¬
диоактивных отходов с температурой сре¬
ды до 200 °С и выше) термоэкзоэмиссион-
ные детекторы излучений могут оказаться
наиболее предпочтительнымиНаправления развития техниче¬
ских средств НК Исследования поверх¬
ностных свойств твердых тел с использо¬
ванием эффекта экзоэлектронной эмиссии
требуют проведения измерений в услови¬
ях сверхвысокого вакуума При этом акту¬
альными являются задачи обеспеченияоптимальных условий регистрации элек¬
тронных потоков низкой интенсивности
на фоне помех, а также управления уст¬
ройствами возбуждения, стимуляции и в
целом информационно-измерительным
каналом установки Для решения этих за¬
дач разрабатываются автоматизированные
измерительные системы, в состав которых
включаются автоматизированный экзо-
эмиссионный спектрометр (например, на
базе установки УСУ-4), устройства, по¬
зволяющие обеспечивать глубокий ваку¬
ум, комплекс термоизмерительной аппа¬
ратуры, устройство обработки информа¬
ции (ПЭВМ), выполняющее анализ спек¬
тра экзоэлектронной эмиссииОсновным направлением совершен¬
ствования современных технических
средств НК по параметрам экзоэлектрон¬
ной эмиссии является разработка аппарат¬
но-программных комплексов, обеспечи¬
вающих сопряжение аппаратуры, не
имеющей встроенных средств поддержки
приборного интерфейса, с ПЭВМ Напри¬
мер, известно об экспериментальной раз¬
работке Уральским государственным тех¬
ническим университетом интерфейсного
модуля, выполненного в стандарте КОП
Программная часть комплекса реализова¬
на на языке программирования
QuickBasic 4.0 с применением пакета
PCIB фирмы Microsoft и оболочки
LabWindows Разработанный интерфейс¬
ный модуль является универсальным и
может быть адаптирован для установок с
различными функциональными характе¬
ристиками
ЭЛЕКТРОФЛУКТУАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ11.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВФлуктуации - это случайные откло¬
нения мгновенных значений какой-либо
физической величины от ее среднестати¬
стическою значения Флуктуации свойст¬
венны всем макросистемам, состоящим из
микрочастиц Явление флуктуаций откры¬
то в 1827 году Р. Броуном в жидких сре¬
дах и названо по его фамилии броунов¬
ским. Оно заключается в беспорядочном
движении мельчайших частиц, взвешен¬
ных в жидкости или газе, и обусловлено
тепловым движением молекул среды
Флуктуации оказались свойственными не
только указанным жидким и газовым сре¬
дам, но любым макросистемам, состоя¬
щим из микрочастиц Они проявляются не
только в механическом хаотическом дви¬
жении микрочастиц, но и в случайных
изменениях любой физической величины,
характеризующей состояние макросисте¬
мыЕстественные флуктуации проявля¬
ются в макросистемах при отсутствии из¬
менений внешних воздействий на них
Так, например, броуновское движение
присутствует в жидкости или газовой сре¬
де при постоянстве среднеквадратичных
значений их темпера1уры, давления, плот¬
ности, массы в постоянном объемеЭтот вид флуктуаций следует отли¬
чать от флуктуаций, вызванных воздейст¬
вием на макросистему внешних, изме¬
няющихся в свою очередь (флуктуирую¬
щих) воздействий В данной главе рас¬
сматриваются только естественные флук¬
туацииЭлектрические флуктуации проявля¬
ются в случайных отклонениях мгновен¬
ных значений электрической величины от
ее среднестатистического значения В со¬ответствии с классификацией электриче¬
ских величин различают флуктуации
ЭДС, напряжения, тока, напряженности
электрического поля, поляризации, пара¬
метров электрической цепи (активного
сопротивления, индуктивности и емко¬
сти) Эти флуктуации обусловлены тем,
что существующие макросистемы образо¬
ваны электрически заряженными микро¬
частицами - элементарными носителями
электрических зарядов (электронами, ио¬
нами, дырками, диполями и т п) и вызы¬
вают хаотические изменения указанных
выше величинИсторически электрические флуктуа¬
ции стали изучать вследствие того, что
они, являясь помехами при усилении сла¬
бых электрических сигналов, создавали на
выходе электронных устройств со звуко¬
выми преобразователями шум (шорох)
Этим объясняется, что электрофлуктуации
часто называют электрическим шумомЭлектрические флуктуации можно
подразделить на следующие основные
виды тепловые, дробовые, фликкер, кон¬
тактные, генерационно-рекомбинацион¬
ные, плазменныеЭлектрические флуктуации всех этих
видов несут информацию о макросистеме,
которой они создаются, и, следовательно,
могут применяться при контроле ее тех¬
нического состояния Однако в настоящее
время использование этого вида источни¬
ка информации находится на начальной
стадии и, если некоторые виды электриче¬
ских флуктуаций, как например, тепловые,
уже получили достаточно широкое рас¬
пространение в термометрии, то другие
виды ждут расширения области их ис¬
пользования или определения этой облас¬
ти
ТЕПЛОЭЛЕКТРОФЛУКТУАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ66511.2. ТЕПЛОЭЛЕКТРО¬
ФЛУКТУАЦИОННЫЕ МЕТОДЫТеплоэлектрофлуктуационные мето¬
ды основаны на увеличении уровня элек¬
трических флуктуаций с повышением
температуры Существование тепловых
электрических флуктуаций было предска¬
зано в 1907 году А. Эйнштейном, однако
в то время их невозможно было обнару¬
жить из-за недостаточной чувствительно¬
сти электрических методов измеренияФизическая сущность тепловых элек¬
трических флуктуаций заключается в бро¬
уновском движении носителей электриче¬
ских зарядов, в результате чего в макро¬
областях любого материала появляются
несбалансированные электрические заря¬
ды, которые могут быть свободными, как,
например, в металлах, или связанными,
как в диэлектриках Эти заряды создают
разность потенциалов между различными
точками материала и выравнивающие эти
потенциалы токи проводимости в провод¬
никах или токи смещения в диэлектриках
Эти разности потенциалов и токи имеют
случайный характер, а их среднее значе¬
ние равно нулюБлагодаря описанным явлениям на
любом электрическом активном сопро¬
тивлении возникает напряжение теплового
шумаСпектральная плотность распределе¬
ния энергии рассматриваемых флуктуаций
при термодинамическом равновесии, те
при температуре материала 0 = const, оп¬
ределяется выражениемо 4/г/ Re Z
ехр(7г//©)-1 ’где h - 6,626 10~34Дж с - постоянная
Планка, / - частота, на которой рассмат¬
ривается уровень флуктуаций, ReZ - ак¬
тивная составляющая сопротивления Z
Из приведенной формулы следует,
что с погрешностью меньше 0,1 % можно
считать, что при © > 0 °С и частотеf < 1012 Гц спектральная плотность рас¬пределения энергии не зависит от частоты,
а рассматриваемые колебания являются
так называемым "белым шумом" При бо¬
лее высоких частотах спектральная плот¬
ность уменьшается из-за проявления
инерции носителей электрических заря¬
довДля области частот /<1012 ГцП. Нейквист получил формулу, опреде¬
ляющую квадраг среднеквадратичного
значения (дисперсию) напряжения элек¬
трических флуктуаций на сопротивлении,
носящую ныне его имя и имеющую види2 =4Ш ReZA/\где к = 1,38 10 23 Дж/К - постоянная
Больцмана, А/- полоса частот (Гц), в пре¬
делах которой определяется напряжение
Из приведенной формулы следует,
что реактивные сопротивления (индук¬
тивности и емкости) напряжения флук¬
туаций не создаютИзмерить указанное напряжение не¬
посредственно измерительным прибором
PV (рис 11 1, а) невозможно, так как для
этого входное сопротивление прибора RBX
должно быть неограниченно велико и не
должно создавать собственного напряже¬
ния флуктуацийЕсли сопротивление Z является ак¬
тивным (Z = R), тои 2 =4 k®RAf,ток во внешней цепи при коротком ее за¬
мыкании (рис 11 1,6)~2 _ и2 _ 4ЮД/R ’а мощность Р электрических флуктуаций,
рассеиваемая в этом случае на сопротив¬
ленииР = у[и212 =4ЮД/Таким образом, мощность не зави¬
сит от значения сопротивления, а являет¬
ся только функцией значений темпера-
666Глава 11 ЭЛЕКТРОФЛУКТУАЦИОННЫЕ МЕТОДЫРис. 11.1. Схемы непосредственного
измерения электрофлуктуаций:а - по напряжению, б- по токутуры и полосы используемых частот,
что свидетельствует о возможности ис¬
пользования электрических флуктуаций
для измерения температуры, причем в
этом случае измерительным первичным
преобразователем является сам объект
исследованияЕсли во всех точках ОК температура
одинакова, то значение напряжения элек¬
трических флуктуаций определяет эту
температуру Если же температура в раз¬
ных точках объекта различна, то флуктуа¬
ции позволяют определить некоторое ус¬
редненное значение температуры, которое
зависит не только от температуры на по¬
верхности объекта, но и от распределения
температуры внутри него Таким образом,
напряжение электрических флуктуаций
может использоваться в качестве инфор¬
мационного параметра для целей НКМетоды измерения температуры по
напряжению электрических флуктуаций
подразделяются на две группы- методы измерения температуры
объектов, сопротивление которых в про¬
цессе измерения постоянно,- методы измерения температуры
объектов, сопротивление которых в про¬
цессе измерения изменяетсяНесмотря на кажущуюся простоту
электрофлуктуационного метода его реа¬
лизация встречает значительные трудно¬
сти из-за низкого уровня измеряемого на¬
пряжения и влияния вследствие этого на
результаты измерения помех (шумов),
создаваемых измерительными устройст¬
вами Наиболее просто с этой точки зре¬
ния проводить измерение высоких темпе¬
ратурРассмотрим структурную схему од¬
ного из таких электрофлуктуационных
термометров На рис 112 приведена
структурная схема термометра Крафт-
махера-Черевко, реализующего метод
первой группы Измеряемый флуктуаци-
онный сигнал их сопротивления, темпера¬
тура которого измеряется, подается на два
идентичных усилителя 7 и 2, с выхода ко¬
торых сигналы поступают на корреля¬
тор 3, который перемножает эти сигналы и
интегрирует результат перемножения
Принцип такой операции заключается в
следующем После перемножения одина¬
ковых составляющих измеряемых сигна¬
лов t/csin(co/ + (p), полученных от двухусилителен и их интегрирования, получа¬
ется сигналТ^Uс2 sin2(co/ + 9^ = 0,5C/c2ой='тВ то же время помехи, идущие от
усилителей, имеют различные частоты,
поэтому после их перемножения и усред¬
ненияU = UX sin(coI/ + ty\)U2 sin(co2/+ ф2) =_ ихи2 Sln^(0^ +G>2^ + (p'J++ ^А-2-sin|со! - со2|/ + Ф*]= ОТаким образом, коррелятор подавля¬
ет помехи, создаваемые усилителями 1 и2 Кроме того, на эти усилители подается в
противофазе сигнал помехи Ut после его
усиления усилителем 4 и преобразования
устройством 5, позволяющим получить
указанные противофазные напряжения В
результате на выходе устройства получа¬
ется сигналU вых = к]к2к3к4к5 (Uх — Uг ^,где Kt - коэффициент преобразования бло¬
ка i
ТЕПЛОЭЛЕКТРОФЛУКТУАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ667Рис. 11.2. Структурная схема
термометра Крафтмахера-Черевко:7,2- идентичные усилители, 3 - коррелятор,4 - усилитель, 5 - усилитель с противофазны¬
ми выходамиРегулируя величину напряжений Un
добиваются равенства нулю UВых , т е
осуществляют нулевой метод измерения,и по результатам измерения U, опреде¬
ляют и\ При этом на результаты изме¬
рения не влияют значения коэффициентовусиления кг и их колебания Зная и\ ,
ширину полосы пропускания усилителей 7
и 2 и сопротивление R, по формуле Ней-
квиста легко найти измеряемую темпера¬
туру 0 Погрешность такого термометра в
области высоких температур не превыша¬
ет 1 %Для измерения более низких темпе¬
ратур используются другие схемы элек-
трофлуктуационных термометров На
рис 11 3 приведена схема термометра
Такэо Резистор Rx, с помощью которогог 7Рис. 11. 3. Структурная схема
термометра Такэо:7,2- идентичные усилители, 3 - умножитель
4 - коррелятор, 5,6- интеграторы,7 - детектордолжна измеряться температура, и рези¬
стор R0 вначале находятся при одинаковой
температуре Последовательно с сопро¬
тивлением R0 включен компенсационный
резистор R, с помощью которого достига¬
ется равенство Rx = R0 + R Как и в преды¬
дущей схеме, два одинаковых усилителя 7
и 2 подают сигналы на умножитель 3 с
коррелятором 4 и затем на интеграторы 5
и б, к выходам которых подключен ба¬
лансный детектор 7 Переключатель П
синхронно подает сигналы от Rx и R0 + R
на балансный детектор При одинаковых
температурах 0О этих резисторов добива¬
ются равенства поступающих от них сред¬
неквадратических значений флуктуацион-
ных сигналов, о чем судят по отсутствию
напряжения на выходе балансного детек¬
тораЗатем сопротивление Rx нагревается
до измеряемого значения температуры 0V,
в результате чего на выходе балансного
детектора появляется напряжение Его
компенсируют изменением значения регу¬
лировочного сопротивления R После дос¬
тижения баланса измеряется значение Ro +
R, а температура определяется по соотно¬
шениюЭлектрофлуктуационными термо¬
метрами могут измеряться температуры не
только проводников, но и диэлектриков,
поскольку их активное сопротивление не
является неограниченно большим Однако
их большое сопротивление приводит, с
одной стороны, к большим значениям на¬
пряжений флуктуаций, а с другой сторо¬
ны, позволяет включать их в колебатель¬
ные контуры, не понижая значительно
добротности последнихНа рис 114 приведена схема элек-
трофлюктуационного термометра Корн-
дорфа-Подорольского, позволяющего
измерять среднюю по толщине образца
температуру диэлектрических материалов
668Глава И ЭЛЕКТРОФЛУКТУАЦИОННЫЕ МЕТОДЫРис. 11.4. Структурная схема
термометра Корндорфа-Подорольского:7- измерительный конденсатор, 2 - колеба¬
тельный контур, 3 - усилитель, 4 - преобразо¬
ватель частоты с полосовым усилителем,5 - детектор и измеритель(текстолита, хлорвинила, фанеры и др), а
также температуру жидкостей, протекаю¬
щих в диэлектрических трубах Тело, тем¬
пература которого измеряется, помещает¬
ся между обкладками конденсатора 7,
подключенного параллельно контуру 2,
который настраивается на требуемую час¬
тоту Благодаря резонансным явлениям на
контуре выделяется напряжение электри¬
ческих флуктуаций в узкой полосе частот,
что значительно снижает влияние внеш¬
них помех Сигнал с контура усиливается
резонансным усилителем 3, преобразуется
и усиливается полосовым усилителем 4,
детектируется и измеряется устройст¬
вом 5 При этомR eZ= Ztg8coC(l + tg 5 )где 5 - угол диэлектрических потерь ди¬
электрика, С - емкость между обкладка¬
ми, охватывающими диэлектрикДля повышения точности не следует
измерять само напряжение флуктуаций, а
лучше, как в предыдущих случаях, изме¬
рять отношение напряжений на известном
резисторе при измеряемой температуре и
на опорном резисторе при нормальной
известной температуре Поэтому в данном
термометре в качестве опорного сопро¬
тивления используется сопротивление
самого контура при отсутствии измеряе¬
мого телаРассмотренные выше электрофлук-
туационные термометры могут использо¬
ваться только при постоянном значении
сопротивления ReZ OK В то же время
часто возникает задача измерения темпе¬
ратуры сопротивлений с изменяющимися
значениями Точного решения эта задача
не имеет, но есть два способа ее прибли¬
женного решенияПервый способ реализуется при ус¬
ловии, что спектр частот изменения зна¬
чений сопротивлений не имеет очень вы¬
соких составляющих Сущность способа
заключается в поочередном измерениии2 флуктуаций и значения R сопротивле¬
ния, как это иллюстрируется схемой на
рис 11 5 Электронный коммутатор 7 с
высокой частотой переключает резистор
ReZ, температура которого измеряется, на
входы омметра 2 и измерителя флуктуа-
ционного напряжения 3 Частота пере¬
ключения fn и верхняя граничная частота
/гр колебаний значений ReZ должны удов¬
летворять неравенству^»fip В этом слу¬
чае можно считать, что сопротивлениеReZ и U2 измеряются при одинаковых
значениях ReZ, и поэтому микропроцес¬
сор 4 с достаточной точностью может рас¬
считать температуру 0Х Несмотря на из¬
менения значений ReZ, полоса частот Af
при измерениях должна поддерживаться
постоянной Эти условия ограничивают
применение описанного способаПри втором способе заранее исследу¬
ется зависимость ReZ = ср(/) и определяет¬
ся область частот, где эта зависимость с
достаточной степенью детерминирована
Для этой области частот выбираются две
частоты f\ и f2, для которых может быть
установлена функциональная зависимость
(ReZ)y2 = F(ReZ)^, где (ReZ)^ и(ReZ)^ - значения сопротивлений, соот¬
ветствующих частотам /| и /2 Если ука¬
занная функция существует, то может
быть использована схема измерения, при¬
веденная на рис 11 6 Полосовые фильтры
ГЕНЕРАЦИОННО-РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ669On4 —Рис. 11.5. Структурная схема
термометра с коммутатором:7 - коммутатор, 2 - измеритель сопротивления,23 - измеритель Ux ,4- микропроцессор7 и 2 с одинаковыми полосами пропуска¬
ния настроены на частоты f\ и f2, устрой¬
ство 3 предназначено для измерения сопро¬
тивления ReZ, микропроцессор 4 реализует
зависимость (ReZ)/2 =F(ReZ)/|, устрой¬
ство 5 измеряет напряжение U2 на часто-
tq/i, а микропроцессор 6 определяет зна¬
чение температурыСложность реализации этого способа
заключается именно в нахождении зави¬
симости (ReZ)y2 = F(ReZ)yt, посколькуона обычно имеет не детерминированный,
а корреляционный характер Поэтому
данный способ редко можно применять
для одиночных измерений, однако он мо¬
жет найти некоторое применение при ста¬
тистических измерениях Так, например,
при измерениях температуры в зоне тре¬
ния одни и те же значения сопротивления
смазочной пленки повторяются множест¬Рис. 11.6. Структурная схема
термометра с двумя частотными каналами:7,2- полосовые фильтры, 3 - устройство,
измеряющее сопротивление на частоте fx ,4 - микропроцессор, 5 - устройство, измеряю¬
щее напряжение U2 на частоте /2 ,6 - микропроцессор, определяющий значение
температурыво раз, и поэтому возможно использование
корреляционных связей Реализация этого
способа для указанного применения пока¬
зала хорошую воспроизводимость резуль¬
татов измерений11.3. ГЕНЕРАЦИОННО¬
РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ МЕТОДЫГенерационно-рекомбинационные элек¬
трические флуктуации обусловлены флук¬
туациями числа N носителей зарядов от¬
носительно их среднего количества TVo,
вызванными естественным тепловым и
световым возбуждением полупроводни¬
ков Эти виды возбуждений приводят в
полупроводниках к спонтанным рожде¬
нию и аннигиляции неосновных носите¬
лей Процесс описывается дифференци¬
альным уравнением
dN— = g(N)~r(N),atгде g(N) и r(N) - функции скоростей гене¬
рации и рекомбинации носителей зарядов
При равновесном состоянии число
носителей зарядов остается неизменным,
dNт е = 0 и, следовательно, g(TV) = r(N0)dfДля малых значений флюктуацийд{Щ){AN)2 =q(N0)z ={dr/dN - dq / dN )N0 ’где T - постоянная времени системыФлуктуации числа носителей зарядов
проявляют себя как флуктуации тока /0,
проходящего в полупроводниковом при¬
боре при приложении к нему напряжения
U Если полупроводник содержит только
электроны с концентрацией п и подвижно¬
стью тоI2 AN2NSЕсли полупроводник содержит как элек¬
троны, так и дырки, причем равновесное число
последних -ро, а подвижность -\х.р , то
670Глава И ЭЛЕКТРОФЛУКТУАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ( Л2— AN + ^-ApI \ »»г2 г \20 [^0+— Ро]Генерационно-рекомбинационные шу¬
мы сопровождают работу любого полу¬
проводникового прибора Они являются
причиной того, что уровень собственных
шумов у высокочувствительных полупро¬
водниковых усилителей выше, чем у уси¬
лителей на электронных приборах Час¬
тотный спектр генерационно-реком¬
бинационных флуктуаций значительно
уже, чем у тепловых электрофлуктуаций,
что объясняется меньшей подвижностью
зарядов в полупроводниках, чем электро¬
нов в проводниках Спектр рассматривае¬
мых флуктуаций можно приближенно
считать "белым", т е равномерным только
доЮ5 107ГцПри НК уровень генерационно-ре¬
комбинационных флуктуаций прежде все¬
го используется для контроля полупро¬
водниковых приборов Измерение уровня
флуктуаций тока, проходящего через по¬
лупроводниковый прибор при постоянных
потенциалах на его электродах, лишь при¬
близительно характеризует рассматривае¬
мый вид флуктуаций, так как флуктуация
тока создается всеми видами флуктуаций
Поэтому не удается установить строго
детерминированную связь уровня генера-
ционно-рекомбинационных флуктуаций с
другими показателями качества полупро¬
водниковых приборов В то же время уро¬
вень флуктуаций позволяет проводить
разбраковку полупроводниковых прибо¬
ров, а в ряде случаев и прогнозировать их
техническое состояние11.4. ФЛУКТУАЦИИ ДРОБОВЫЕ,
ФЛИККЕР И КОНТАКТНЫЕЭти виды флуктуаций не нашли еще
непосредственного применения при НК,
но их часто приходится учитывать при
других видах НК, особенно если НК свя¬зан с использованием очень слабых сигна¬
ловДробовые флуктуации обусловлены
непрерывным случайно изменяющимся
выходом электронов из катода Работа
выхода электрона из катода составляет
единицы электрон-вольта, в то же время
энергия электронов катода составляет все¬
го сотые доли электрон-вольта и даже при
температуре катода 1000 °С может дости¬
гать всего 0,1 эВ Поэтому вероятность
вылета электрона из катода очень мала, а
число электронов, вылетевших за время т,
подчиняется закону распределения ве¬
роятностей Пуассонагде п - среднее число электронов, выле¬
тевших из катода за время тВ соответствии с этим законом сред¬
нее значение тока, создаваемого вылетев¬
шими из катода электронами/0 = W е0/Т ,где е0 - заряд электрона, а дисперсия это¬
го токат тУчитывая, что вероятность вылета
электронов подчиняется закону Пуассо¬
на, можно получить зависимость52(/) = /0е0/тВ. Шотка на основе этой зависимо¬
сти получил расчетную формулуД/2=2е0/0Д/,где А/ - полоса частот, в пределах кото¬
рой измеряется среднеквадратичное зна¬
чение флуктуаций токаСами по себе дробовые флуктуации
не применяются непосредственно для НК,
но они в ряде случаев ограничивают воз¬
можность контроля, особенно это касается
методов НК, при которых на выходе элек¬
ФЛУКТУАЦИИ ДРОБОВЫЕ, ФЛИККЕР И КОНТАКТНЫЕ671трического преобразователя получается
слабый сигнал, так как относительный
уровень флуктуаций тем выше, чем мень¬
ше полезный сигнал, в данном случае
ток /0А/2 2е0Д/II hДробовые флуктуации проявляются и
при слабых световых потоках, что объяс¬
няется квантовым характером потока, и в
этом случае называются фотонным шу¬
мом или флуктуациями Эти флуктуации
ограничивают возможности анализа сла¬
бых световых потоков и, следовательно,
фотоэлектрических и рентгеновских мето¬
дов НК, при которых из-за сильного по¬
глощения излучения приемника достигают
очень слабые потоки излученияФликкер-флуктуации или шум ха¬
рактеризуются спектральной плотностьюS = Л!/ Поэтому их часто называют" 1 If -шумом” Вследствие этого они наи¬
более сильно влияют на результаты изме¬
рений на низких частотах Однако при
обработке сигналов на низких частотах
полоса усиливаемых частот бывает значи¬
тельно уже, чем на высоких, а напряже¬
ние, создаваемое фликкер-флуктуациями,пропорционально ^А/ / / Поэтому приучете флуктуаций этого вида необходимо
учитывать ширину полосы пропуска¬
ния А/Фликкер-флуктуации в полупровод¬
никах возникают из-за процессов генера¬ции - рекомбинации в поверхностных
слоях р-n переходов Они более проявля¬
ются в МОП-транзисторах с изолирован¬
ным затвором Значение постоянной Л
сильно варьируется не только у разных
типов полупроводниковых приборов, но
даже у разных экземпляров одного и того
же типаБлизким по характеру к этому виду
флюктуаций являются контактные
флуктуации, возникающие в гетероген¬
ных системах, например, в композицион¬
ных и углеродистых резисторах за счет
флуктуаций сопротивления переходов
между компонентами, составляющими
резистор, между поверхностями зерен
проводящей добавки в резистореИз-за контактных флуктуаций не
следует использовать гетерогенные струк¬
туры в первичных измерительных преоб¬
разователяхФлуктуации тока за счет контактных
явленийА/2 = DI 2 f~aAf,где D - постоянная, характеризующая
данный тип резистора, а « 1Контактные флуктуации также воз¬
никают в неподвижных контактных со¬
единениях, например зажимах, штекерах и
т д Они, конечно, возникают и в скользя¬
щих контактах, но в этих контактах значи¬
тельно большие флуктуации токов созда¬
ют изменения переходного сопротивле¬
ния, и поэтому на контактные флуктуации
внимания не обращают
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1 Неразрушающий контроль и ди¬
агностика Справочник / В В Клюев,
Ф Р Соснин, А В Ковалев и др , Под ред
В В Клюева 2-е изд, испр и доп М Ма¬
шиностроение, 2003 656 с2 Неразрушающий контроль: В
5 кн Кн 3 Электромагнитный контроль
Практ пособие / В Г Герасимов,
А Д Покровский, В В Сухоруков, Под
ред В В Сухорукова М Высш шк, 1992
312с3 Неразрушающие испытанияСправочник В 2 кн Кн 2 Пер с англ /Под
ред Мак-Мастера M-JI Энергия, 1965
492 с4 Неразрушающий контроль /Б И Леонов, Ф Р Соснин, Н П Валуев
М Знание, 1985 64 с5 Измерения в промышленности:
Справ изд В 3 кн Кн 1 Теоретические
основы Пер с нем / Под ред П Профоса
2-е изд, перераб и доп М Металлургия,
1990 492 с6 Измерения в промышленности
Справ изд В 3 кн Кн 2 Способы измере¬
ния и аппаратура Пер с нем / Под ред
П Профоса 2-е изд, перераб и доп М Ме¬
таллургия, 1990 384 с7 Кончиц В.В. Триботехника электри¬
ческих контактов / В В Кончиц, В В Мешков,
НК Мышкин / Под ред В А Белого Мн
Наука и техника, 1986 256 с8 Самбурский А.И. Бесконтактные
измерения параметров вращающихся объ¬
ектов А И Самбурский, В К Новик М
Машиностроение, 1976 141 с (Б-ка при¬
боростроителя)9 Подмастерьев К.В. Электропара-
метрические методы комплексного диаг¬
ностирования опор качения М Машино¬
строение-1, 2001 376 с10 Свириденок А.И. Акустические
и электрические методы в триботехнике /
А И Свириденок, Н К Мышкин, Т Ф Кал¬
мыкова, О В Холодилов, Под ред
В А Белого Мн Наука и техника, 1987
280 с11 Дайчик M.JI. Методы и средства
натурной тензометрии Справочник /
М Л Дайчик, Н И Пригоровский,
Г X Хуршудов М Машиностроение,1989 240 с ил12 Распопов В.Я. Микромеханиче-
ские приборы Тула ТулГУ, 2002 392 с13 Матис И.Г. Электроемкостные
преобразователи для неразрушающего
контроля Рига Зинатне, 1977 255 с14 Гордов А.Н., Жагулло О.М.,
Иванова А.Г. Основы температурных
измерений М Энергоатомиздат, 1992
304 с15 Блат Ф.Дж., Шоедер П.А.,
Фойзл К.Л., Грей Д. Термоэлектродви¬
жущая сила металлов / Пер с англ под
ред Д К Белащенко М Металлургия,
1980 248 с16 Денель А.К. Дефектоскопия ме¬
таллов 2-е изд, перераб и доп М Ме¬
таллургия, 1972 304 с17 Пухвич А.А., Каролик А.С.,
Ширандо В.И. Структурная зависимость
термоэлектрических свойств и неразру¬
шающий контроль Мн Навука i Ьхшка,1990 192 с18 Ван-дер-Зил А Флюктуации в
радиотехнике и физике Пер с англ М -Л
Госэнергоиздат, 195819 Саватеев А.В. Шумовая термо¬
метрия Л Энергоатомиздат, 1987 132 с20 Экзоэмиссионный контроль по¬
верхностей деталей после обработки /
В С Кротов, А И Слесарев, В В Рогов
Киев Наук думка, 1986 176 с
ПРИЛОЖЕНИЯ1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ (ЭК).
ТИПОВАЯ ПРОГРАММА ПОДГОТОВКИ
ПЕРСОНАЛА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ (ЭК).
ТРЕБОВАНИЯ К ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПОДГОТОВКИ
(ОБУЧЕНИЯ) ПЕРСОНАЛА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ (ЭК).ТИПОВАЯ ПРОГРАММА ПОДГОТОВКИ
ПЕРСОНАЛА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯУровень IУровень II
(дополнительно к программе
уровня I)Уровень III
(дополнительно к программе
уровней I и II)Содержание и разделы1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ- Постоянный ток, сила
тока и напряжение- Закон Ома и электриче¬
ское сопротивление- Проводимость и удельное
сопротивление- Векторное представление
электрических величин- Переменный ток- Период, частота пере¬
менного тока- Закон Ома для простейших
цепей переменного тока- Последовательное соеди¬
нение активных сопротивле¬
ний, индуктивностей и емко¬
стей- Технические характеристи¬
ки электрического поля- Диэлектрическая прони¬
цаемость и заряд емкости
через сопротивление- Контактная ЭДС- Магнитная индукция- Поле, создаваемое током- Соотношение напряженности
магнитного поля и индукции- Импеданс (полное сопротив¬
ление) цепи при влиянии
внешних полей- Влияние изменения частоты
на явления резонанса в цепях
переменного тока- Электрическое поле и ем¬
кость электротехнических
приборов- Электрическая постоянная2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ- Первичные информа¬
тивные параметры- Контролируемые пара¬
метры- Методы создания элек¬
трического поля в контро¬
лируемом объекте- Классификация методов
электрического контроля- Электроемкостный метод- Электропотенциальный ме¬
тод- Метод электрического
сопротивления
-Трибоэлектрический метод- Термоэлектрический ме¬
тод- Другие методы
ПРИЛОЖЕНИЕ 1675Продолжение прил 1Уровень IУровень II
(дополнительно к программе
уровня I)Уровень III
(дополнительно к программе
уровней I и II)3. ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ- Регистрируемые величи¬
ны- Виды объектов контроля- Информативные пара¬
метры- Типы и конструкции пер¬
вичных преобразователей- Корреляция физико¬
механических, геометриче¬
ских и других параметров
объекта контроля с информа¬
тивными параметрами преоб¬
разователя4. ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ- Приборы для измерения
свойств диэлектрических
материалов- Измеряемые параметры
относительная диэлектри¬
ческая проницаемость и
тангенс угла диэлектриче¬
ских потерь- Влагомеры- Приборы для измерения
состава и структуры мате¬
риалов- Принцип действия- Мосты с индуктивно свя¬
занными плечами- Приборы с узлами, выне¬
сенными в блок преобразо¬
вателя- Контролируемые пара¬
метры объекта5. ЭЛЕКТРОПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ- Принцип действия- Контролируемые материалы
и выявляемые дефекты- Факторы, влияющие на ве¬
личину разности потенциа¬
лов6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОНТРОЛЯ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ- Измеряемые параметры- Принцип работы оборудо¬
вания- Методы исключения влия¬
ния переходных сопротивле¬
ний электрических контак¬
тов- Погрешности измерения
толщины покрытий и причи¬
ны их возникновения
676ПРИЛОЖЕНИЕ 1Продолжение прил 1Уровень IУровень II
(дополнительно к программе
уровня I)Уровень III
(дополнительно к программе
уровней I и II)7. МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ- Основные дефекты в
изделиях, выявляемые
электрическими методами- Виды материалов и из¬
делий, контролируемые
электрическими методами- Дефекты, связанные с
изготовлением и обработ¬
кой изделий- Дефекты, возникающие
при эксплуатации износ,
усталость, коррозия- Электромагнитные свой¬
ства материалов- Электропроводность вли¬
яние химического состава,
структуры, наличия дефек¬
тов8. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ- Состояние окружающей
среды- Форма объекта контроля- Влажность- Температура объекта кон¬
троля и др9. МЕТОДИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ- Выбор эталона и работа с
эталонами- Поверка приборов и обору¬
дования- Метрологическое обеспе¬
чение метода10. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ- Измерение геометриче¬
ских размеров- Контроль влажности- Измерение толщины
покрытий- Выявление дефектов- Контроль структуры и
состава материала контро¬
лируемого объекта- Другие применения11. ПРОБЛЕМЫ,СВЯЗАННЫЕ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ КОНТРОЛЕМ- Проблемы, связанные с ори¬
ентацией дефектов путь то¬
ка, глубина проникновения- Неоднородность создавае¬
мого электростатического
поля- Проблема компенсации
влияния мешающих факто¬
ров- Влияние неровностей по¬
верхности на результаты
контроля
ПРИЛОЖЕНИЕ 1677Продолжение прил 1Уровень IУровень II
(дополнительно к программе
уровня I)Уровень III
(дополнительно к программе
уровней I и И)12. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ КОНТРОЛЯ- Классификация индика¬
ций по их виду при элек¬
трическом контроле, их
положение и характери¬
стика- Измерение размеров
объектов, толщины по¬
крытий- Регистрация индикаций- Вероятность выявления
дефекта в зависимости от
размеров, расположения и
геометрических параметров13. СТАНДАРТЫ И НОРМАТИВНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ- Знание и понимание
стандартов и нормативных- Приемка и отбраковка
изделия на основе регла¬
ментирующего документа- Составление рабочей
инструкции- Выбор метода электриче¬
ского контроля14. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ- Материаловедение
технологии и типы произ¬
водств электропроводящих
и диэлектрических объек¬
тов- Причины возникновения
дефектов и типичные места
их расположения- Вероятное развитие де¬
фектов изломы изделий,
разрыв структуры и др
2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ (ЭК)ТРЕБОВАНИЯ К ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПОДГОТОВКИ (ОБУЧЕНИЯ) ПЕРСОНАЛА
НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯРаздел программыУровень, %IIIIII1 Основные принципы1072 Физические основы электрических методов12143 Электроемкостный преобразователь444 Приборы для электрических методов контроля765 Электропотенциальные приборы456 Оборудование для контроля методом электрического
сопротивления15127 Материалы и изделия888 Влияние различных факторов на результаты измере¬
ний669 Методики электрического контроля101210 Области применения электрических методов4611 Проблемы, связанные с электрическим контролем--12 Представление результатов контроля6813 Стандарты и нормативная документация9714 Общие сведения55ВСЕГО100100Предлагаемая длительность подготовки (час.) в соот¬
ветствии с требованиямиПБ 03-440-022440
СПРАВОЧНОЕ ИЗДАНИЕ
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬСправочник в 7 томах под редакцией чл -корр РАН
В В КЛЮЕВАТом 5В.П. ВавиловТЕПЛОВОЙ КОНТРОЛЬКнига 1К.В. Подмастерьев, Ф.Р. Соснин, С.Ф. Корндорф, Т.И. Ногачева,
Е.В. Пахолкин, Л.А. Бондарева, В.Ф. МужицкийЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ
Книга 2Лицензия ИД № 05672 от 22 08 2001Редакторы И Н Жесткова, Л Г Ганженко
Переплет художника Т Н Погореловой
Корректор ТИ Масальская, НА Фетисова
Инженер по компьютерному
моделированию ГЮ КорабельниковаСдано в набор 17 12 03 Подписано в печать 02 03 04 Формат 70x100/16
Бумага офсетная Гарнитура Times Печать офсетная
Уел печ л 57,85 (в тч вкл 1,95) Уч-изд л 65,14 (в тч вкл 1,92)
Тираж 1000 экз Заказ 607Ордена Трудового Красного Знамени
ОАО "Издательство "Машиностроение",107076, Москва, Стромынский пер , 4Оригинал-макет изготовлен в ООО "Издательство "Машиностроение-1"Отпечатано в полном соответствии с качеством
предоставленного оригинал-макета в ОАО "Типография "Новости"
105005, Москва, ул Фридриха Энгельса, 46