ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения технологической разработки.

Сущность способа заключается в следу­ющем. Над исследуемым изделием помеща­ют точечный источник тепловой энергии и термоприемник, сфокусированный в точку поверхности, подверженной тепловому воз­действию. Включают источник энергии и начинают перемещение его и термоприемника над исследуемым издели­ем с постоянной скоростью. Затем посте­пенно смещают точку контроля предельной избыточной температуры от. пятна нагрева по линии движения источника в сторону от­ставания до достижения заданного рассто­янияr₁между источником и термоприемником, измеряя при этом интег­ральное по расстоянию значение избыточ­ной температурыs₁(r) на отрезке линии движения от пятна нагрева до точки контро­ля. Осуществляют измерение избыточной предельной температуры в точке r ₁. Далее, уменьшив мощность источника энергии и переместив точку контроля температуры в центр пятна нагрева, смещают постепенно точку контроля избыточной температуры от пятна нагрева по линии движения источни­ка отставания до тех пор. пока контролиру­емое интегральное по расстоянию перемещения значение избыточной темпе­ратуры станет равным значениюs ₁(x) (см.фиг. 1).Измеряют найденное значение рас­стоянияr _xи значение избыточной темпера­туры при этом расстоянии отставания точки контроля от центра пятна нагрева, а иско­мую толщину защитного покрытия опреде­ляют по зависимости, полученной на основании следующих рассуждений.

При нагреве поверхности полубеско­нечного в тепловом отношении тела по­движным точечным источником энергии избыточная предельная температура повер­хности этого тела в точках, перемещающих­ся вслед за источником по линии его движения со скоростью, равной скорости перемещения источника энергии, опреде­ляется зависимостью

, (1)

гдеq- мощность источника, Вт: -средне-интегральный по объему коэффициент теп­лопроводности изделия, состоящего из покрытия и основания, на которое оно нане­сено. Вт/м К:r- расстояние между центром пятна нагрева и точкой измерения темпера­туры, м.

Поскольку поверхность исследуемого изделия в процессе эксперимента не тепло-изолирована от окружающей среды, то. по­сле нанесения теплового воздействия часть тепла от нагретой поверхности изделия бу­дет отводиться за счет конвективного тепло­обмена в окружающую среду. Поэтому измеряемое значение избыточной предель­ной температуры в точке, перемещающейся .в след за источником по линии его движения и отстающей от него на расстояниеr₁.будет определяться зависимостью

, (2)

гдеd_утеч- потери мощности в окружаю­щую среду за счет конвективного теплооб­мена.

Из теории теплопроводности известно, что тепловой поток при конвективном теп­лообмене между поверхностью нагретого тела и окружающей средой определяется выражением

q =a[t(r)-tc], (3)

гдеa- коэффициент теплообмена, Вт/м ² К;

Т _c - температура окружающей среды.

Потери тепловой энергии в окружаю­щую среду при прохождении точки контроля температуры расстояния от пятна нагрева до точки с координатой ri при мощности источникаq₁будут определяться выражени­ем

, (4)

Чтобы потери энергии в окружающую среду при мощности источникаq₂были бы равны потерямd_q1, экспериментально находят такое расстояние r _x между точкой контроля избыточной температуры и пятна нагрева. при котором

, (5)

На основании изложенного можно запи­сать, что

, (6)

, (7)

Поскольку из (4) и (5)dq₁=dq₂, то после несложных математических преобразова­ний выражений (6) и (7) получим формулу для расчета среднеинтегрального по объе­му коэффициента теплопроводности изде­лия в виде

, (8)

Измеренный среднеинтегральный по объе­му коэффициент теплопроводности опреде­ляется выражением

, (9)

гдеl_п,l_т-коэффициент теплопроводно­сти соответственно покрытия и тела, на ко­торое оно нанесено:k₁,k₂- коэффициенты. значения которых изменяются от 0 до 1, так как в соответствии с выражением (9) при отсутствии покрытия К = 0, К = 1, а при максимальной толщине покрытия, когда теплофизические свойства тела не оказыва­ют влияние на формирование температур­ного поля на поверхности, наоборот, К = 1, К = 0.

Поскольку среднеинтегральный коэф­фициент теплопроводности определяется процентным содержанием материала по­крытия и тела о единице объема, тоk₁+ k ₂ = 1 и выражение (9) можно записать в следу­ющем виде:

, (10)

Ввиду того, что значение коэффициента К пропорционально толщине защитного по­крытия, выражение (10) можно записать в следующем виде

, (11)

гдеh_п- толщина защитного пленочного по­крытия;b- коэффициент пропорционально­сти. определяемый экспериментальным путем и численно равный обратной величи­не от максимально возможной в тепловом отношении толщины покрытия h _макс. Пара­метр h _макс определяют экспериментально путем удаления термоприемника от точки нагрева материала покрытия до тех пор. по­ка значение контролируемой избыточной температуры станет равной чувствительно­сти контрольно-измерительной аппарату­ры. Найденное расстояние и будет равно, искомому параметру h _макс. Параметр h _макс можно определить и расчетным путем, ис­пользуя для этого выражение (1), заменив в немt(r) наx,lнаl_пи найдя из получен­ного уравненияr, который и будет равен искомому параметру h _макс.

Произведя ряд несложных математиче­ских преобразований выражения (11), пол­учим формулу для определения искомой толщины защитного покрытия в виде

, (12)

Используя выражение (8), получим следую­щую формулу для определения толщины за­щитных-покрытий:

, (13)

Таким образом: определив коэффициент теплопроводности изделия с защитным по­крытием с учетом конвективного теплооб­мена между поверхностью изделия и окружающей средой и зная коэффициенты теплопроводности покрытия и телаlп иlт, а также h _макс по формуле (12) можно с боль­шой точностью рассчитать толщину искомо­го пленочного покрытия.

На фиг. 2 приведена схема устройства, реализующего-предложенный способ.

Устройство состоит из источника тепло­вой энергии 1, сфокусированного на повер­хность исследуемого изделия 2, термоприемника 3, расположенного над по­верхностью исследуемого изделия и сфоку­сированного на нее. Термоприемник подключен к информационным входам пер­вого и второго электронных ключей 4 и 5. выход первого ключа соединен с входом преобразователя напряжения в частоту 6, выход которого в свою очередь подключен к информативному доходу реверсивного счет­чика 7. Выход второго электронного ключа через первый аналого-цифровой преобразо­ватель 8 подключен к первому входу цент­рального процессора 9, второй вход которого через устройство ввода-вывода 10 соединен с клавишным пультом управления 11. Один из выходов клавишного пульта уп­равления 11 подключен к управляющему входу третьего электронного ключа 12, ин­формационный вход которого соединен с реохордом потенциометра 13. а выход - с первым входом компаратора 14. второй вход которого подключен к выходу блока задания опорных напряжений (уставок) 15. Вход блока уставок 15 соединен с пультом управления 11.Выход компаратора 14 под­ключен к управляющему входу первого электронного ключа и входу инвертора 16, выход которого соединен с управляющим входом второго электронного ключа 5. Рео­хорд потенциометра 13 подключен к инфор­мационному входу четвертого электронного ключа 17, управляющий вход которого соединен с выходом реверсивно­го счетчика 7. а выход через второй аналого-цифровой преобразователь 18 подключен к третьему входу центрального процессора 9. Реохорд потенциометра В соединен также с цепью управления магнитного пускателя 19 реверсивного двигателя 20, силовая цепь которого через переключатель полярности 21 подключена к блоку питания двигателя 22, а вал двигателя соединен с механизмом перемещения 3 термоприемника 1 относи­тельна источника 3. Потенциометр 13 под­ключен к источнику стабилизированного напряжения 24, а реохорд потенциометра кинематически соединен с механизмом пе­ремещения 23 термоприемника относитель­но источника тепловой энергии. Выход блока питания источника энергий 25 под­ключен к входу источника энергии 3, а цепь управления блока питания 25 соединена с блоком управления 11, который в свою оче­редь соединен с блоком переключения по­лярности 21 и цепям управления магнитного пускателя 19 и механизма пере­мещения 36 источника-энергии 3 и термо­приемника 1 относительно образца 2, Информационный выход центрального про­цессора 9 через устройство вывода 27 подключен к индикатору 28. Выход реверсивного счетчика 7 подключен к управ­ляющим входам второго и четвертого элект­ронных ключей 5 и 17, а также к цепи управления магнитного пускателя 19. Вы­ход компаратора 14 подключен также к це­лям управления магнитного пускателя 19 и механизма перемещения 26.

Устройство реализует предлагаемый способ следующим образом.

Оператором перед началом измерения с клавишного пульта управления 11 вводит­ся программа расчета искомой толщины по­крытия. построенная в соответствии с зависимостью(13). Затем по команде с пуль­та управления устройство приводится в ис­ходное состояние: закрываются первый 4, второй 5. третий 12 и четвертый 17 элект­ронные ключи, обнуляется счетчик 7, уста­навливается на блоке уставок 15 напряжение, пропорциональное значению заданного расстоянияri.включается магнитный пускатель 19, при этом реверсивный двигатель 20 через механизм перемещения 23 перемещает термоприемник 1 относи­тельно источника 3 до совмещения точки контроля температуры с точкой теплового воздействия, при этом реохорд потенцио­метра 13 установится на нулевое положе­ние. а нулевой сигнал с него выключит магнитный пускатель 19, т.е. осуществится блокировка двигателя 20.

Запуск устройства осуществляется опе­ратором подачей с пульта управления 11 команды на включение блока питания 25 источника энергии 3. включение механизма перемещения 26 источника 3 и термоприем­ника 1 относительно исследуемого изделия 2. переключение полярности питания бло­ком 21. включение пускателя 19 и запуск двигателя 20, который через механизм 23 осуществляет перемещение термоприемни­ка 1 в сторону отставания от источника 3, открытие электронных ключей 4, 5 и 12. При перемещении термоприемника от точки теплового воздействия на исследуемое из­делие информация об интегральном значении контролируемой избыточной температурыs(r) заносится в счетчик 7. По­скольку стабилизированное напряжение питания в блоке 24 подобрано таким обра­зом, чтобы при перемещении реохорда по­тенциометра 13 на единицу длины значения напряжения, снимаемого с реохорда, было строго пропорционально выбранной едини­це линейного перемещения, то при прохож­дении термоприемником заданного расстояния ri от источника 3. реохорд, кинематически связанный с термоприемни­ком. тоже переместится на расстояние r ₁. При этом сигнал с реохорда, подаваемый через ключ 12 на вход компаратора 14, ста­нет равным величине уставки, подаваемой на второй вход компаратора 14. Последний при этом переключится в состояние логиче­ской единицы, закрыв прямым выходом электронный ключ 4, выключив пускатель 19 двигателя 20, механизм перемещения 26 и открыв через инвертор 16 ключ 5. Информа­ция о избыточной температуреt(r₁) в точке контроля на расстоянии r ₁ с термоприемни­ка 1 через ключ 5 и первый аналого-цифровой преобразователь 8 запишется в оперативную память микропроцессора 9 Затем по команде с пульта управления 1 выключается механизм перемещения 26 источника и термоприемника, переключается полярность питания реверсивного двигателя 20, включается магнитный пускатель 19 и термоприемник 1 с помощью механизм 23 перемещается к источнику энергии 3 до момента совпадения точки контроля температуры и точки теплового воздействия, при этом блокировка выключает пускатель двигателя 20. Далее с пульта управления подается сигнал на блок питания 25, по которому мощность теплового воздействия у источника становится равнойq₂. После этого по команде с пульта управления переключается блок 21, включается механизм перемещения 26 термоприемника и источника, включается пускатель 19 и двигатель 20, открывается электронный ключ 4,apeaepcионный счетчик 7 переключается из режима суммирования в режим вычитания. Перемещение термоприемника относительно источника происходит до тех пор, пока обнулится реверсивный счетчик 7, что произойдет при выполнении условия (5)s₁(r)=s ₂(r) т.е. условия равенства контролируемых интегральных по расстоянию значений температур при тепловом воздействии мощностьюq₁иq₂. При этом сигналом с выхода счетчика 7 выключается магнитный пускатель 19 и происходит остановка двигателя 20, открывается ключ 17 и информация расстоянии rx через второй аналого-цифровой преобразователь 18 заносится в оперативную память микропроцессора, открывается электронный ключ 5 и информацияt(rx) об избыточной контролируемой температуре в точке rx с термоприемником через ключ 5 и аналого-цифровойnpeoбразователь 8 запишется в оперативную память микропроцессора 9.

Используя найденные значения rx, Т иt(rx). а также информацию о мощности тепловых воздействий q ₁ и q ₂, о теплофизических свойствах материалов покрытия изделий, геометрических размерах участка изделия, подверженного тепловому воздействию, по программе, построенной в соответствии с формулой (13) и введенной в микропроцессор 9, рассчитывается значение искомой толщины покрытия изделия.