Бесконтактные микроволновые методы и реализующие их системы неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий Жарикова Мария Валерьевна

Введение к работе

Актуальность темы исследования.

При возведении зданий различного назначения часто сталкиваются с проблемой рационального использования топливно-энергетических ресурсов, решение которой связано с применением новых строительных материалов, обладающих низкими коэффициентами тепло- и температуропроводности. Следует отметить, что информации о теплофизических характеристиках (ТФХ), которые определяют теплозащитные свойства вновь разработанных строительных материалов и, в конечном итоге, качество строительных конструкций, очень мало. Поэтому для е получения требуется разработка новых методов и реализующих их систем, позволяющих с необходимыми для строительной теплотехники точностью и оперативностью контролировать их ТФХ. Анализ результатов, полученных в ходе проведения информационного поиска показал, что создание новых методов и реализующих их систем неразрушающего контроля ТФХ строительных материалов и изделий является важной задачей, решение которой позволит экономить топливно-энергетические ресурсы, т.е. осуществлять энергосбережение.

Работа выполнена в соответствии с государственным заказом Министерства образования и науки РФ проект №9.137.2014/К от 17.07.2014г.

Степень разработанности темы исследования.

Решение поставленной задачи предполагает применение методов и реализующих их устройств, использующих СВЧ-нагрев строительных материалов и изделий, отличающихся оперативностью и более высокой точностью получаемых результатов, возможностью осуществления прогрева большого объема исследуемых строительных материалов и получение интегральных и усредненных по объему значений ТФХ, что необходимо для получения более достоверной информации о теплозащитных свойствах строительных материалов, как правило, дисперсных, неоднородных, анизотропных и т.д. Следует отметить, что теория воздействия СВЧ-волнами на исследуемые объекты достаточно хорошо разработана, выпускается большое количество микроволновой техники, что позволяет реализовать СВЧ-нагрев во вновь разрабатываемой аппаратуре и системах контроля ТФХ исследуемых строительных объектов.

Объектом исследования являются теплозащитные свойства строительных материалов и изделий. Предметом исследования являются разработанные бесконтактные методы и реализующие их информационно-измерительные системы (ИИС) неразрушающего контроля ТФХ строительных материалов и готовых изделий.

Цель диссертационной работы. Разработка и исследование бесконтактных СВЧ-методов и реализующих их систем, позволяющих контролировать ТФХ исследуемых материалов и изделий не нарушая их целост-

ность и эксплуатационные свойства с необходимыми для строительной теплотехники оперативностью и точностью.

Задачи исследований:

1. Проанализировать состояние современных методов и устройств контроля ТФХ строительных материалов и изделий, выявить их достоинства и недостатки, направления их дальнейшего развития.

2. Разработать и исследовать бесконтактный микроволновый экспресс-метод неразрушающего контроля ТФХ строительных материалов и изделий, состоящий в импульсном тепловом воздействии СВЧ-излучения, сфокусированного линзовой антенной на поверхность исследуемого объекта в линию заданных размеров, измерении избыточных температур в двух контролируемых точках поверхности исследуемого материала, находящихся на разных расстояниях от линии электромагнитного воздействия, отличающийся от известных методов оперативностью.

3. Разработать бесконтактный микроволновый метод неразрушающего контроля ТФХ строительных материалов и изделий, состоящий в воздействии на поверхность исследуемого твердого строительного материала электромагнитным полем СВЧ-диапазона, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении объекта через круг, измерении избыточной температуры в центре круга, позволяющий определять ТФХ строительных материалов и готовых изделий с высокой точностью, обусловленной исключением влияния на результаты измерений собственной тепломкости нагревателя, контактного термосопротивления между поверхностью исследуемого материала и нагревателя.

4. Разработать микропроцессорные ИИС, реализующие вновь созданные СВЧ-методы неразрушающего контроля ТФХ строительных материалов и изделий.

5. Выполнить метрологический анализ, по результатам которого дать рекомендации по повышению метрологического уровня разработанных бесконтактных микроволновых методов и реализующих их средств неразрушающего контроля ТФХ строительных материалов и изделий.

6. Провести экспериментальную проверку разработанных методов на образцах с известными ТФХ.

Методы исследования основываются на аналитической теории теплопроводности, термодинамике, математической физике, теории электромагнитного поля и распространения электромагнитных волн СВЧ-диапазона в диэлектрике, метрологии и метрологическом эксперименте.

Научная новизна:

Разработан новый бесконтактный микроволновый экспресс-метод неразрушающего контроля ТФХ исследуемых строительных материалов и готовых изделий [5], суть которого состоит в нагреве исследуемого объекта воздействием импульса СВЧ-излучения по плоскости под углом в' к поверхности исследуемого тела, сфокусированного линзовой антенной в

линию заданных параметров на поверхность полуограниченного в тепловом отношении объекта, измерении в двух точках поверхности исследуемого образца избыточных температур и определении искомых ТФХ по полученным соотношениям. Угол наклона в' определяют следующим образом. Используя информацию о мощности и частоте электромагнитного излучения, а также о диэлектрической проницаемости исследуемого материала, расчтным путм определяют кривую затухания теплового воздействия по глубине исследуемого материала. Затем осуществляют прямолинейную аппроксимацию участка полученной кривой, ограниченного поверхностью исследуемого объекта и точкой, расстояние до которой бертся равным значению, превышающим на порядок расстояние до наиболее удалнной от линии теплового воздействия точки контроля х₂, и определяют угол в между аппроксимирующей прямой и плоскостью поверхности исследуемого материала. Далее определяют угол преломления электромагнитной волны и с учетом полученных данных определяют искомый суммарный угол ff. Данный метод отличается от известных оперативностью и высокой точностью получаемых ТФХ за счет существенного уменьшения методической погрешности в результатах измерений.

Разработан новый бесконтактный микроволновый метод неразруша-ющего контроля ТФХ строительных материалов и готовых изделий [6], состоящий в том, что на поверхность исследуемого тврдого строительного материала воздействуют через круговую область СВЧ-излучением с частотой не менее 10 ГГц, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении объекта. Определяют температуру в центре круга нагрева, температуру окружающей среды и мощность СВЧ-излучения на исследуемый объект, а также имея справочную информацию о диэлектрической проницаемости исследуемых материалов, искомые ТФХ определяют по полученным математическим соотношениям. Разработанный метод отличается от известных тем, что нагрев исследуемого материала осуществляется без применения нагревательных элементов, что исключает влияние на результаты измерения собственной тепломкости нагревателя, искажающей температурное поле в исследуемых объектах, контактных термосопротивлений между нагревателем и поверхностью исследуемого образца, что в итоге повышает точность полученных результатов.

Созданы микропроцессорные ИИС, реализующие разработанные бесконтактные микроволновые методы неразрушающего контроля ТФХ строительных материалов и изделий, существенно упрощающие процессы измерений и повышающие производительность исследований, включающие в себя структурно-алгоритмические методы повышения точности результатов контроля искомых ТФХ.

Выполнен метрологический анализ, по результатам которого были

даны рекомендации по повышению метрологического уровня разработанных бесконтактных микроволновых методов и систем неразрушающего контроля ТФХ строительных материалов и изделий.

Положения, выносимые на защиту:

1.Разработанные бесконтактные микроволновые методы неразруша-ющего контроля ТФХ строительных материалов и изделий.

2.Микропроцессорные системы, реализующие разработанные бесконтактные микроволновые методы неразрушающего контроля ТФХ строительных материалов и изделий.

3.Результаты выполненного метрологического анализа разработанных бесконтактных методов и систем неразрушающего контроля ТФХ строительных материалов и изделий.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы определяется разработанными новыми бесконтактными микроволновыми методами неразрушающего контроля ТФХ строительных материалов и изделий, на основе которых были разработаны и приняты к использованию микропроцессорные системы с соответствующим алгоритмическим, программным и метрологическим обеспечением, дающие возможность увеличить перечень тепловых методов и средств контроля теплозащитных свойств строительных зданий различного назначения. Технические решения, использованные при разработке методов и реализующих их устройств, признаны изобретениями.

Внедрение результатов исследования. Результаты диссертационной работы приняты к использованию в АО «Тамбоваппарат» в качестве методов и реализующих измерительных систем, а также в учебном процессе ТГТУ.

Степень достоверности и апробация результатов.

Применение современной микропроцессорной контрольно-

измерительной техники, большой объем проведенных экспериментов и результатов, согласованность теоретических и экспериментальных исследований подтверждают достоверность научных положений, выводов и результатов исследования. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на Международной конференции с элементами научной школы «Актуальные проблемы энергосбережения и энергоэффективности в технических системах» (Тамбов, 2014г.), на 9-й Международной теплофизической школы (Душанбе, 2014г.), на 2-й Международной конференции с элементами научной школы «Актуальные проблемы энергосбережения и энергоэффективности в технических системах» (Тамбов, 2015г.), на 3-й Международной конференции с элементами научной школы «Актуальные проблемы энергосбережения и энергоэффективности в технических системах» (Тамбов, 2016г.)

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отра-

жены в 11 печатных работах, в том числе в 4 статьях в научных журналах из Перечня ВАК и в 2 патентах РФ на изобретение (№2570596, №2574229).

Структура работы. Диссертация включает в себя введение, 4 главы, заключение и приложения, изложенные на 130 страницах текста, в том числе в 26 рисунках, 13 таблицах, список литературы включает 60 наименований.