RU2753620C1 - Способ определения кинетических теплофизических свойств анизотропных композитных материалов - Google Patents
Способ определения кинетических теплофизических свойств анизотропных композитных материалов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2753620C1 RU2753620C1 RU2020138029A RU2020138029A RU2753620C1 RU 2753620 C1 RU2753620 C1 RU 2753620C1 RU 2020138029 A RU2020138029 A RU 2020138029A RU 2020138029 A RU2020138029 A RU 2020138029A RU 2753620 C1 RU2753620 C1 RU 2753620C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heating
- temperature
- thermal
- product
- pixel
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 68
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 44
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 43
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 5
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 4
- 238000013500 data storage Methods 0.000 claims description 4
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 4
- 238000012417 linear regression Methods 0.000 claims description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 9
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 4
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000007689 inspection Methods 0.000 abstract description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000205 computational method Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 13
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 4
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 4
- 238000001931 thermography Methods 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 2
- 239000004918 carbon fiber reinforced polymer Substances 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000001757 thermogravimetry curve Methods 0.000 description 2
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- -1 etc.) Substances 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 238000004093 laser heating Methods 0.000 description 1
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 239000006249 magnetic particle Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000012925 reference material Substances 0.000 description 1
- 239000013074 reference sample Substances 0.000 description 1
- 239000011150 reinforced concrete Substances 0.000 description 1
- 239000012783 reinforcing fiber Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/0003—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiant heat transfer of samples, e.g. emittance meter
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к теплофизическим измерениям. Область применения - определение теплофизических характеристик (ТФХ) материалов и изделий неразрушающим (безобразцовым) методом путем экспериментально-расчетного способа. Заявлен способ определения кинетических ТФХ анизотропных материалов и готовых изделий из них, включающий тепловое импульсное воздействие от источника нагрева на поверхность исследуемого изделия и последующий анализ нестационарной тепловой картины. Тепловой нагрев создают внешним «точечным» источником энергии, локализованным на площадке размером порядка 0,1 мм2, и регистрируют с помощью тепловизора создаваемую в контролируемом изделии эволюцию распределения температуры на поверхности изделия. Согласно изобретению положение центра нагрева во времени определяют путем усреднения информации с большого числа пикселей матрицы тепловизора, установленного неподвижно относительно центра нагрева. При этом эволюция распределения температуры на поверхности изделия представляет собой эллипсы с центром, совпадающим с центром нагрева, после чего производят анализ результатов. Технический результат - разработка простого способа для экспресс-инспекции и определения кинетических ТФХ тестируемых анизотропных материалов (в частности, коэффициентов температуро- и теплопроводности) путем анализа нестационарного температурного поля, регистрируемого тепловизором на наружной поверхности исследуемого материала. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится к теплофизическим измерениям. Область применения - определение теплофизических характеристик материалов и изделий неразрушающим (безобразцовым) методом путем экспериментально-расчетного способа определения кинетических теплофизических свойств тестируемых материалов (в частности, коэффициентов температуро- и теплопроводности), основанного на методе нестационарной термографии.
Анизотропные материалы - это материалы, свойства которых неодинаковы по различным направлениям. Пример анизотропных материалов: монокристаллы, волокнистые и пленочные материалы, железобетон, пластмассы со слоистыми наполнителями (гетинакс, текстолиты, стеклопластики, углепластики и др.), композиционные материалы, древесина. Использование анизотропных материалов сокращает расход материалов и улучшает качество конструкций.
В настоящее время известен ряд видов неразрушающего контроля, которые плотно вплетены в структуру производственного мониторинга.
Визуально-измерительный. Не является точным методом. Но при этом для выполнения мониторинга материала таким методом не нужно особых технических приспособлений - достаточно комплекта визуального контроля. Таким методом выявляются дефекты на поверхности объекта от 0,1 мм.
Магнитопорошковый. Для проведения мониторинга данным методом необходимы магнитный индикатор и устройства для намагничивания и размагничивания. Но стоит отметить, что несмотря на положительные качества метода при диагностике конструкций из ферромагнитных материалов - он не применим для диагностики немагнитных материалов.
Капиллярный. Для диагностики материалов данным методом необходимы пенетранты, очиститель и проявитель. Обнаруживаются дефекты сквозного и поверхностного типа размерами менее 1 мкм. Но при этом автоматизация и механизация данного метода достаточно сложна в практическом применении.
Ультразвуковой. Данный метод обладает рядом достоинств. Данным методом можно зарегистрировать многие виды повреждений в объеме контролируемого объекта. При этом тип материала не является ограничивающим фактором. Ультразвуковые методы обладают высокой производительностью при низкой стоимости. В настоящее время достаточно широко распространены. К недостаткам ультразвуковых методов относятся трудоемкие подготовительные мероприятия, а также низкая точность в определении размеров повреждений.
Радиационный. Достаточно хорошо показывает себя в выявлении внутренних дефектов. Но при этом весьма посредственно выявляет поверхностные дефекты. При этом необходимы дополнительные меры безопасности, что увеличивает затраты при практическом применении данного метода.
Вихретоковой. Достаточно универсален в обнаружении поверхностных и глубинных дефектов. Но при этом он применим только в диагностике токопроводящих материалов.
Акустическая эмиссия. Достаточно хорошо зарекомендовал себя в обнаружении как глубинных, так и поверхностных дефектов. Метод акустической эмиссии позволяет обнаруживать только те повреждения, которые находятся на стадии развития. Но при этом в практическом применении данный метод достаточно сложен, особенно в условиях промышленного производства акустическо-эмиссионные сигналы трудно выделять на фоне общих помех, что затрудняет его применение на практике. При этом в данном методе существует необходимость последующей диагностики другими методами для корректировки результатов. При проведении экспериментальных испытаний по деформации углепластика метод акустической эмиссии был выбран как независимый контролирущий метод. В качестве дополнительного контролирующего метода был выбран метод тензометрии.
Тепловой. В сравнении с описанными выше способами свободен от большинства указанных недостатков и получает дальнейшее развитие. При этом он достаточно эффективен при выявлении протечек, нарушении покрытий и слоев и интенсивно развивается за счет применения импульсного нагрева и путем анализа нестационарного температурного поля, регистрируемого тепловизором на наружной поверхности исследуемого материала.
Известен способ идентификации теплофизических характеристик (ТФХ) материалов, основанный на сравнении исследуемой термограммы с совокупностью нормированных термограмм исследуемого и эталонного материалов (Патент РФ №2018117, МПК G01N 25/18, 1994). При идентификации решается оптимизационная задача, для которой существует минимальная погрешность между разностью отклика исследуемого материала и совокупностью откликов нормированных характеристик эталонов.
Недостатком этого способа является необходимость сбора большого числа экспериментальных данных, формируемых в течение длительного времени проведения опытов.
Известен также способ определения комплекса ТФХ твердых материалов (Патент РФ №2284030, МПК G01N 25/18, 2005). Способ заключается в тепловом импульсном воздействии от линейного источника нагрева на плоскую поверхность исследуемого и эталонного образцов, измерении избыточной температуры на плоской поверхности образцов на фиксированном расстоянии от линии нагрева с момента подачи теплового импульса, при этом тепловое импульсное воздействие и измерение избыточной температуры осуществляют в плоскости контакта исследуемого и эталонного образцов, а измерение избыточной температуры производят в одной точке до момента регистрации в ней заданного отношения избыточной температуры к скорости нагрева, измеряют интегральное значение избыточной температуры на временном интервале от момента подачи импульса до момента регистрации заданного отношения избыточной температуры к скорости нагрева, используя математическую модель:
решают итерационным методом уравнение:
рассчитывают многофакторные функции преобразования 
и
составляют систему уравнений, решая которую методом итераций, определяют искомые теплофизические свойства исследуемого материала a 2, λ2,
где
Q - количества тепла, выделяемое нагревателем на единицу длины;
τ - текущее время, отсчитываемое от момента подачи импульса;
r - фиксированное расстояние от линии нагрева до точки измерения избыточной температуры;
T(a 2, λ2, τ) - текущая избыточная температура в плоскости контакта на фиксированном расстоянии от линии нагрева;
K - заданное отношение избыточной температуры к скорости нагрева;
τ0 - момент регистрации в точке измерения заданного отношения избыточной температуры к скорости нагрева;
I0 - интегральное значение избыточной температуры на временном интервале от 0 до τ0;
I(а 2, λ2) - многофакторная функция преобразования интегрального значения температуры;
а 1 - температуропроводность эталона;
λ1 - теплопроводность эталона;
а 2 - температуропроводность исследуемого материала;
λ2 - теплопроводность исследуемого материала.
Недостатком известного способа является его сложность в практическом применении, обусловленная необходимостью использования эталонного образца, применения линейного нагревателя, который взаимодействует с исследуемым образцом на значительной площади, вызывая неравномерный нагрев. Большие погрешности при определении фиксированного расстояния от линии нагрева до точки измерения избыточной температуры делают недостоверными результаты определения ТФХ материала.
Частично эти недостатки устраняются при применении импульсного нагрева с помощью лазерного излучения. В статье Int J Theosophy's (2013) 34:467-485/Situ Measurement of Thermal Diffusivity in Anisotropic Media/Tadeusz Kruczek et al. измерение тепловой диффузии в анизотропных средах основано на использовании точечного лазерного нагрева и применении тепловизионной камеры. Согласно этому способу поверхность образца подвергают тепловому импульсному воздействию и затем проводят анализ нестационарной тепловой картины, регистрируют создаваемую в бездефектном контролируемом изделии радиально симметричную тепловую волну, которая регистрируется на доступной поверхности тепловизором как система концентрических круговых изотерм. Один импульс лазера формирует данные для извлечения двух основных компонентов тензора термодиффузии (ТД). Методика может быть использована для определения ТД или теплопроводности. В последнем случае, плотность и удельная теплоемкость должна быть определены путем отдельного измерения. Оценка ТД осуществляют в два этапа. На первом, записанное температурное поле обрабатывают, чтобы найти форму изотерм. Результатом этого процесса является соотношение главных компонент тензора ТД. На втором этапе вычисляют временное изменение соотношения температур при наборе точек. Обратным методом определяют один компонент тензора ТД. Второй компонент получают из заранее определенного соотношения двух компонент тензора ТД.
Недостаток этого способа авторы видят в том, что до сих пор этот метод был проверен на средах с теплопроводностью в диапазоне от 5 до 40 Вт м-1 К-1. Более высокие значения требует модификации оборудования и модели.
Наиболее близким является способ определения кинетических теплофизических свойств твердых материалов и готовых изделий (пат. РФ2701775, МПК G01N 25/18, G01J 5/60. Опубл.: 02.10.2019). Способ включает тепловое импульсное воздействие от источника нагрева на поверхность исследуемого изделия и последующий анализ нестационарной тепловой картины. При этом тепловой нагрев создают внешним «точечным» источником энергии, локализованным на площадке размером порядка 0,1 мм2, и регистрируют с помощью тепловизора создаваемую в бездефектном контролируемом изделии эволюцию распределения температуры на поверхности изделия, как систему концентрических круговых изотерм, положение которых во времени определяют путем усреднения информации с большого числа пикселей матрицы тепловизора, установленного неподвижно относительно центра изображения пятна нагрева, после чего производят анализ результатов.
Для материалов и изделий с высокой теплопроводностью в виде пластины (толщиной до 3 мм и продольными размерами >15-20 мм) используют метод создания цилиндрического теплового фронта «точечным» источником нагрева, и процедура анализа заключается в следующем:
- для нескольких промежутков времени t от начала нагрева определяют центр осесимметричного распределения температур и производят его усреднение по углу;
- выбирают два значения времени t1 и t2 и строят зависимость температуры Τ от расстояния r для этих значений t; при этом время t1 соответствует максимальному времени эксперимента, а выбор времени t2 делается из соображений реализации наибольшего градиента температуры dT/dr на зависимости T(t);
- выбирают температуру Τ1 на максимальном времени нагрева t1 и в точке на радиусе r1 большем, чем радиус пятна нагрева;
- на выбранном времени t2 и в точках на расстоянии r2 определяют температуру T2;
- определяют значение отношения β=T2/Τ1; для наилучшей точности определения температуропроводности отношение температур должно быть близким к 0,5;
- если отношение β выходит из интервала 0,4<β<0,6, то задают новое значение расстояния r2 и снова определяют температуру T2, повторяя эту процедуру до тех пор, пока значение β не станет равным 0,5±0,1;
- вычисляют величину χ по формуле
где χ - коэффициент температуропроводности материала в мм2/с;
γ=~0,5772 - постоянная Эйлера;
r1 - расстояние до точки с температурой Τ1;
r2 - расстояние до точки с температурой T2;
t1 - время нагрева максимальное;
t2 - время нагрева выбранное;
β - отношение между температурами T2/Τ1.
Для массивных материалов и изделий используют метод создания «точечным» источником нагрева радиально-симметричного распространения сферического теплового фронта в полупространство, и процедура анализа заключается в следующем:
- при определении коэффициента температуропроводности χ используют аналитическое решение задачи распределения температуры вне пятна нагрева r0, которое может быть аппроксимировано функцией вида
где
С - некоторая константа;
- экспериментальные данные строят в координатах (T⋅r, (r-r0)t-1/2) и аппроксимируют функцией вида у=C-erfc(A⋅x), варьируя лишь масштабы по осям;
- методом регрессии определяют оптимальное значение параметра А, обеспечивающее наилучшее согласование экспериментальных данных с аппроксимирующей кривой;
- как следует из (2), найденная таким образом величина 
, по которой определяют
χ=(4A2)-1.
В качестве точечного источника энергии используют лазер мощностью до 30 Вт видимого или инфракрасного диапазона и регулируемой длительностью импульса, либо осуществляют кратковременный контакт с предварительно разогретым до 100-150°С заостренным массивным металлическим стержнем.
Недостаток известного способа заключается в его непригодности для тестирования анизотропных материалов, таких как композитные материалы на основе или с применением природных компонентов (в частности, растительных волокон, углепластиков) широко применяемых в строительстве. В этих материалах наряду с механическими свойствами большое значение имеют и их ТФХ.
Задача изобретения заключается в определении компонент тензора температуропроводности a ij, на примере анизотропного волокнистого композитного материала - углепластиков различных марок.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка простого способа для экспресс-инспекции и определения кинетических ТФХ тестируемых анизотропных материалов (в частности, коэффициентов температуро- и теплопроводности) путем анализа нестационарного температурного поля, регистрируемого тепловизором на наружной поверхности исследуемого материала.
Технический результат достигается тем, что согласно способу определения кинетических теплофизических свойств твердых анизотропных материалов и готовых изделий из них, включающему тепловое импульсное воздействие от источника нагрева на поверхность исследуемого изделия и последующий анализ нестационарной тепловой картины, тепловой нагрев создают внешним «точечным» источником энергии, локализованным на площадке размером порядка 0,1 мм2, и регистрируют с помощью тепловизора создаваемую в контролируемом изделии эволюцию распределения температуры на поверхности изделия, согласно изобретению положение центра нагрева во времени определяют путем усреднения информации с большого числа пикселей матрицы тепловизора, установленного неподвижно относительно центра нагрева, при этом эволюция распределения температуры на поверхности изделия представляет собой эллипсы с центром, совпадающим с центром нагрева, после чего производят анализ результатов.
В разработанный алгоритм обработки первичных экспериментальных данных для определения теплофизических характеристик, включают следующие процедуры:
- нативный формат хранения данных тепловизора преобразовывают в покадровый набор двумерных массивов температур;
- устанавливают точный момент времени начала подвода тепла;
- усредняют попиксельно все кадры до этого момента и получения базового усредненного кадра;
- вычитают попиксельно базовый кадр из последующих кадров для компенсации локальных неоднородностей оптических свойств поверхности образца;
- устанавливают координаты центра пятна нагрева;
- вычитают из температуры каждого пикселя температуру «на бесконечности» для уменьшения влияния дрейфов камеры и однородной засветки поверхности;
- определяют пространственное распределение температуры в каждом кадре, для чего все пиксели с температурами, лежащими в интервале 0,6Tmax<Т<0,2Tmax, сортируют по температуре и разбивают на блоки по 50 штук, в каждом таком блоке вычисляют среднюю температуру и проводят линейную регрессию в координатах (х2, у2) с получением полуосей эллипса изотермы;
- аппроксимируют полученную на предыдущем этапе совокупность полуосей xi эллиптических изотерм с температурой Τ функциями вида
путем минимизации суммы квадратов отклонений симплекс методом Нелдера-Мида,
где
Т - температура;
xi - полуоси эллиптической аппроксимации изотермы;
В, a i * - параметры аппроксимации;
t - время.
Вычисленные таким способом величины а * i, усреднялись для всех кадров в некотором интервале времени;
- на основе величин а * i, полученных при точечном нагреве на разных поверхностях изучаемого образца, вычисляют значения главных компонент тензора температуропроводности a ii по формулам:
a xx=а * x 3/5 а * x y/5 a * z 1/5,
а уу=а * у 3/5 а * х 1/5 a * z 1/5,
a zz=а * z 3/5 а * х 1/5 a * y 1/5,
«Точечный» нагрев избранной грани образца осуществляют прямоугольным импульсом излучения длительностью до 100 с сфокусированного пучка (гауссов радиус r0=0,1-0,3 мм) твердотельного лазера с диодной накачкой LSR445CP-FC-10W и регулируемой мощностью до 10 Вт.
Методика проведения исследований
Измерение компонент тензора температуропроводности a ij=λij/ρCp, где λij - компоненты тензора теплопроводности, ρ - плотность материала, Ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении, было проведено запатентованным авторами оригинальным методом термографии (Головин Ю.И., Тюрин А.И., Головин Д.Ю., Самодуров А.А. Способ определения кинетических теплофизических свойств твердых материалов. Патент на изобретение RU 2701775 от 02.10.2019. Головин Ю.И., Самодуров А.А., Тюрин А.И., Головин Д.Ю., Бойцов Э.А. Устройство для бесконтактного определения теплофизических свойств твердых тел. Патент на изобретение RU 2701881 от 02.10.2019) на поперечном и продольных латеральном и радиальном срезах образцов применяемых в производстве лыж углепластиков, имевших форму параллелепипеда со сторонами 15, 40 и 60 мм.
«Точечный» нагрев избранной грани образца осуществляли прямоугольным импульсом излучения длительностью ~ 100 с сфокусированного пучка (гауссов радиус r0=0,1-0,3 мм) твердотельного лазера с диодной накачкой LSR445CP-FC-10W и регулируемой мощностью до 10 Вт. Динамическое температурное поле показано на фиг.4 на поверхности образца в области радиусом (10-20)r0, в которой происходило распространение тепла от точки нагрева, кинофильмировали с частотой 10-60 кадров в секунду с помощью тепловизора FLIR-A35sc. Затем каждый кадр динамической термограммы подвергали компьютерной обработке по разработанным оригинальным моделям и алгоритмам, учитывающим весь объем информации, содержащийся в ИК-фильме. (Головин Д.Ю., Тюрин А.И., Самодуров А.А., Дивин А.Г., Головин Ю.И. Динамические термографические методы неразрушающего экспресс-контроля. М., ТЕХНОСФЕРА. 2019, 214 с. Golovin D.Yu., Divin A.G., Samodurov А.А., Tyurin A.I., Golovin Yu.I. Temperature diffusivity measurement and nondestructive testing requiring no extensive sample preparation and using stepwise point heating and IR thermography//Failure Analysis. London, UK: InTech, 2019. P. 124-160. Головин Д.Ю., Дивин А.Г., Самодуров A.A., Тюрин А.И., Головин Ю.И. Новый экспресс-способ определения коэффициента температуропроводности материалов и готовых изделий // Инженерно-физический журнал. 2020. Т. 93. №1. С.240-247. Головин Ю.И., Тюрин А.И., Головин Д.Ю., Самодуров А.А. Определение коэффициента температуропроводности прозрачных материалов модифицированным методом лазерной вспышки // Известия РАН. Серия физическая. 2020. Т. 84. №7. С.1009-1015.
Для ортотропного материала уравнение теплопроводности в декартовых координатах, связанных с главными осями тензора теплопроводности λij, записывается в виде
где qv - объемная плотность тепловыделения.
Переходя в систему координат, в которой оси х, у, z, перемасштабированы в отношении (λxx/λzz)1/2:(λyy/λzz)1/2:1 и обозначены х*, у*, z*, получаем уравнение теплопроводности в виде
аналогичном таковому для изотропного материала с учетом перемасштабирования плотности источников тепла qv * и плотности материала ρ*. Отсюда следует, что извлечение компонент температуропроводности анизотропного материала из экспериментальных данных можно проводить на основе принципов и моделей, разработанных для обработки данных, получаемых на изотропном материале, с учетом такого перемасштабирования.
Разработанный алгоритм обработки первичных экспериментальных данных, содержащихся в полученном фильме, записанном тепловизором, состоял из следующих процедур:
1) Преобразование нативного формата хранения данных тепловизора в покадровый набор двумерных массивов температур;
2) Установление точного момента времени начала подвода тепла;
3) Попиксельное усреднение всех кадров до этого момента и получения базового усредненного кадра;
4) Попиксельное вычитание этого базового кадра из последующих кадров для компенсации локальных неоднородностей оптических свойств поверхности образца;
5) Установление координат центра пятна нагрева;
6) Вычитание из температуры каждого пикселя температуры «на бесконечности» для уменьшения влияния дрейфов камеры и однородной засветки поверхности;
7) Определение пространственного распределения температуры в каждом кадре. Из уравнения теплопроводности следует, что в приближении точечного нагрева изотермы на поверхности представляют собой эллипсы с центрами, совпадающими с центром нагрева. Для построения координатных зависимостей Т(х,у) применялся следующий подход: все пиксели с температурами, лежащими в интервале 0,6Tmax<Т<0,2Tmax, сортировались по температуре и разбивались на блоки по 50 штук. В каждом таком блоке вычислялась средняя температура и проводилась линейная регрессия в координатах (х2, у2) с целью получения полуосей эллипса изотермы;
8) Аппроксимация полученного экспериментального пространственного распределения температуры вдоль главных осей эллипса T(xi) функцией вида
путем минимизации суммы квадратов отклонений симплекс методом Нелдера-Мида. Вычисленные таким способом величины a * i, представляющие собой температуропроводности вдоль главных осей i, вычисленные согласно модели, разработанной для изотропного материала, усреднялись для всех кадров в некотором интервале времени;
9) На основе величин a * i, полученных при точечном нагреве на разных поверхностях изучаемого образца, вычислялись истинные значения a ii по формулам.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется графическими материалами, где:
- на фиг.1 показан участок углепластиковой лыжи в разрезе;
- на фиг.2 показано то же, что на фиг.1, увеличенное;
- на фиг.3 показано то же, что на фиг.2, увеличенное;
- на фиг.4 показано температурное поле в виде эллипсов на пластике с армирующим волокном при точечном нагреве лазером.
Для удобства редактирования примера ниже приведены сведения по УПП (углеродным пакетам прошивным).
Пример. В образце на поперечном и продольных латеральном и радиальном срезах образцов применяемых в производстве лыж углепластиков, имевших форму параллелепипеда со сторонами 15, 40 и 60 мм осуществляли «Точечный» нагрев избранной грани образца прямоугольным импульсом излучения длительностью ~ 100 с сфокусированного пучка (гауссов радиус r0=0,1-0,3 мм) твердотельного лазера с диодной накачкой LSR445CP-FC-10W и регулируемой мощностью до 10 Вт.
Нативный формат хранения данных тепловизора преобразовывали в покадровый набор двумерных массивов температур, после чего производили анализ.
Эволюция распределения температуры на поверхности образца представляет собой эллипсы с центром, совпадающим с центром нагрева. При этом положение центра нагрева во времени определяли путем усреднения информации с большого числа пикселей матрицы тепловизора, установленного неподвижно относительно центра нагрева. Устанавливали точный момент времени начала подвода тепла и; усредняли попиксельно все кадры до этого момента для получения базового усредненного кадра. Затем вычитали попиксельно базовый кадр из последующих кадров для компенсации локальных неоднородностей оптических свойств поверхности образца; вычитали из температуры каждого пикселя температуру «на бесконечности» для уменьшения влияния дрейфов камеры и однородной засветки поверхности.
После этого определяли пространственное распределение температуры в каждом кадре, для чего все пиксели с температурами, лежащими в интервале 0,6Tmax<Т<0,2Tmax, сортировали по температуре и разбивали на блоки по 50 штук, в каждом таком блоке вычисляли среднюю температуру и проводили линейную регрессию в координатах (х2, у2) с получением полуосей эллипса изотермы.
Полученное экспериментальное пространственное распределение температуры вдоль главных осей эллипса Τ(xi) функцией вида
аппроксимировали путем минимизации суммы квадратов отклонений симплекс методом Нелдера-Мида.
Вычисленные таким способом величины а * i, представляющие собой температуропроводности вдоль главных осей i, вычисленные согласно модели, разработанной для изотропного материала, усреднялись для всех кадров в некотором интервале времени;
- на основе величин а * i, полученных при точечном нагреве на разных поверхностях изучаемого образца, вычисляют истинные значения a ii по формулам a xx=а * х 3/5 а * у 1/5 а * z 1/5, a yy=а * у 3/5 а * х 1/5 а * z 1/5, a zz=a * z 3/5 а * x 1/5 а * у 1/5.
Среднее значение температуропроводности в направлении вдоль волокон
а = =0,72 мм2/с и поперек a ⊥=0,54 мм2/с.
Изобретение обеспечивает разработку простого способа для экспресс-инспекции и определения кинетических ТФХ тестируемых анизотропных материалов (в частности, коэффициентов температуро- и теплопроводности) путем анализа нестационарного температурного поля, регистрируемого тепловизором на наружной поверхности исследуемого материала.
Claims (23)
1. Способ определения кинетических теплофизических свойств твердых анизотропных материалов и готовых изделий из них, включающий тепловое импульсное воздействие от источника нагрева на поверхность исследуемого изделия и последующий анализ нестационарной тепловой картины, тепловой нагрев создают внешним «точечным» источником энергии, локализованным на площадке размером порядка 0,1 мм2, и регистрируют с помощью тепловизора создаваемую в контролируемом изделии эволюцию распределения температуры на поверхности изделия, отличающийся тем, что положение центра нагрева во времени определяют путем усреднения информации с большого числа пикселей матрицы тепловизора, установленного неподвижно относительно центра нагрева, при этом эволюция распределения температуры на поверхности изделия представляет собой эллипсы с центром, совпадающим с центром нагрева, после чего производят анализ результатов.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в разработанный алгоритм обработки первичных экспериментальных данных для определения теплофизических характеристик включают следующие процедуры:
- нативный формат хранения данных тепловизора преобразовывают в покадровый набор двумерных массивов температур;
- устанавливают точный момент времени начала подвода тепла;
- усредняют попиксельно все кадры до этого момента и получения базового усредненного кадра;
- вычитают попиксельно базовый кадр из последующих кадров для компенсации локальных неоднородностей оптических свойств поверхности образца;
- устанавливают координаты центра пятна нагрева;
- вычитают из температуры каждого пикселя температуру «на бесконечности» для уменьшения влияния дрейфов камеры и однородной засветки поверхности;
- определяют пространственное распределение температуры в каждом кадре, для чего все пиксели с температурами, лежащими в интервале 0,6Tmax<Т<0,2Tmax, сортируют по температуре и разбивают на блоки по 50 штук, в каждом таком блоке вычисляют среднюю температуру и проводят линейную регрессию в координатах (х2, у2) с получением полуосей эллипса изотермы;
- аппроксимируют полученную на предыдущем этапе совокупность полуосей xi эллиптических изотерм с температурой Τ функциями вида
путем минимизации суммы квадратов отклонений симплекс методом Нелдера-Мида,
где
Т - температура;
xi - полуоси эллиптической аппроксимации изотермы;
В, a i * - параметры аппроксимации;
t - время;
- усредняют вычисленные таким способом величины а * i, для всех кадров в некотором интервале времени;
- на основе величин а * i, полученных при точечном нагреве на разных поверхностях изучаемого образца, вычисляют значения главных компонент тензора температуропроводности a ii по формулам:
a xx=a * x 3/5 a * y 1/5 a * z 1/5,
a yy=a * y 3/5 a * x 1/5 a * z 1/5,
a zz=a * z 3/5 a * x 1/5 а * у 1/5,
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что «точечный» нагрев избранной грани образца осуществляют прямоугольным импульсом излучения длительностью до 100 с сфокусированного пучка (гауссов радиус r0=0,1-0,3 мм) твердотельного лазера с диодной накачкой LSR445CP-FC-10W и регулируемой мощностью до 10 Вт.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020138029A RU2753620C1 (ru) | 2020-11-20 | 2020-11-20 | Способ определения кинетических теплофизических свойств анизотропных композитных материалов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020138029A RU2753620C1 (ru) | 2020-11-20 | 2020-11-20 | Способ определения кинетических теплофизических свойств анизотропных композитных материалов |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2753620C1 true RU2753620C1 (ru) | 2021-08-18 |
Family
ID=77349349
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020138029A RU2753620C1 (ru) | 2020-11-20 | 2020-11-20 | Способ определения кинетических теплофизических свойств анизотропных композитных материалов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2753620C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114235885A (zh) * | 2021-12-17 | 2022-03-25 | 华中科技大学 | 基于温敏荧光散斑及dic测量技术的热膨胀实时测量方法 |
| RU223970U1 (ru) * | 2023-12-11 | 2024-03-11 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | Устройство для измерения ТФХ древесины |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2208778C2 (ru) * | 2001-01-12 | 2003-07-20 | Тамбовский государственный технический университет | Способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов |
| RU2251098C1 (ru) * | 2003-11-17 | 2005-04-27 | Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ) | Способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов |
| RU2284030C2 (ru) * | 2004-03-30 | 2006-09-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Способ определения комплекса теплофизических свойств твердых материалов |
| CN102183542B (zh) * | 2011-01-31 | 2012-11-21 | 哈尔滨工业大学 | 采用红外多点测温热阻法检测电路板焊点可靠性的检测系统 |
| RU2502989C1 (ru) * | 2012-07-12 | 2013-12-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) | Способ определения температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме |
| RU2549549C1 (ru) * | 2014-03-26 | 2015-04-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Устройство для бесконтактного определения коэффициента температуропроводности твердых тел |
| RU2701775C1 (ru) * | 2018-11-06 | 2019-10-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" (ФГБОУ ВО "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина, ТГУ им. Г.Р. Державина") | Способ определения кинетических теплофизических свойств твердых материалов |
-
2020
- 2020-11-20 RU RU2020138029A patent/RU2753620C1/ru active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2208778C2 (ru) * | 2001-01-12 | 2003-07-20 | Тамбовский государственный технический университет | Способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов |
| RU2251098C1 (ru) * | 2003-11-17 | 2005-04-27 | Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ) | Способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов |
| RU2284030C2 (ru) * | 2004-03-30 | 2006-09-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Способ определения комплекса теплофизических свойств твердых материалов |
| CN102183542B (zh) * | 2011-01-31 | 2012-11-21 | 哈尔滨工业大学 | 采用红外多点测温热阻法检测电路板焊点可靠性的检测系统 |
| RU2502989C1 (ru) * | 2012-07-12 | 2013-12-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) | Способ определения температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме |
| RU2549549C1 (ru) * | 2014-03-26 | 2015-04-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Устройство для бесконтактного определения коэффициента температуропроводности твердых тел |
| RU2701775C1 (ru) * | 2018-11-06 | 2019-10-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" (ФГБОУ ВО "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина, ТГУ им. Г.Р. Державина") | Способ определения кинетических теплофизических свойств твердых материалов |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114235885A (zh) * | 2021-12-17 | 2022-03-25 | 华中科技大学 | 基于温敏荧光散斑及dic测量技术的热膨胀实时测量方法 |
| RU223970U1 (ru) * | 2023-12-11 | 2024-03-11 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | Устройство для измерения ТФХ древесины |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | Image processing based quantitative damage evaluation in composites with long pulse thermography | |
| Junyan et al. | Experimental study on active infrared thermography as a NDI tool for carbon–carbon composites | |
| Zeng et al. | Absolute peak slope time based thickness measurement using pulsed thermography | |
| Zhao et al. | A novel defect depth measurement method based on Nonlinear System Identification for pulsed thermographic inspection | |
| US7549789B2 (en) | Method and apparatus for thermographic nondestructive evaluation of an object | |
| CN109060822B (zh) | 长脉冲红外无损检测序列图像处理方法与系统 | |
| Sharath et al. | Defect characterization using pulsed thermography | |
| WO2012167403A1 (zh) | 脉冲红外热波技术测厚方法 | |
| Popow et al. | Full factorial analysis of the accuracy of automated quantification of hidden defects in an anisotropic carbon fibre reinforced composite shell using pulse phase thermography | |
| Zhao et al. | A confidence map based damage assessment approach using pulsed thermographic inspection | |
| Mendioroz et al. | Characterizing the shape and heat production of open vertical cracks in burst vibrothermography experiments | |
| RU2753620C1 (ru) | Способ определения кинетических теплофизических свойств анизотропных композитных материалов | |
| Silva et al. | Non-destructive infrared lock-in thermal tests: update on the current defect detectability | |
| Lee et al. | Thermographic inspection of CLP defects on the subsurface based on binary image | |
| Plotnikov et al. | Advanced image processing for defect visualization in infrared thermography | |
| Thiel et al. | Localization of subsurface defects in uncoated aluminum with structured heating using high-power VCSEL laser arrays | |
| Milovanović et al. | Detecting defects in reinforced concrete using the method of infrared thermography | |
| Silva et al. | Analyzing the influence of thermal NDT parameters on test performance | |
| Shepard et al. | Measurement limits in flash thermography | |
| Ramirez-Granados et al. | Reconstruction and analysis of pulsed thermographic sequences for nondestructive testing of layered materials | |
| Leksir et al. | Quantitative measurement of defect depth using pulsed thermography: a comparative study | |
| Plotnikov et al. | Temporal treatment of a thermal response for defect depth estimation | |
| Parvataneni | Principal component thermography for steady thermal perturbation scenarios | |
| Dikić et al. | Characterization of periodic cylindrical subsurface defects by pulsed flash thermography | |
| Ding et al. | Fourier phase analysis combined with a fusion scheme in long pulse thermography |