Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ КОНТРОЛЯ СТЕПЕНИ ИСЧЕРПАНИЯ ЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ФИЛЬТРУЮЩЕ-ПОГЛОЩАЮЩИХ ИЗДЕЛИЙ В ФОРМЕ ПЛАСТИН

Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля качественного состояния фильтрующе-поглощающих изделий.

Известен способ определения дефектов в изделии методом теплового неразрушающего контроля (Патент РФ N 2315983, МПК G01N 25/00). Способ включает нагрев изделия, его последующее охлаждение рабочей средой, в качестве которой используют смесь газа и жидкости, измерение температуры изделия и определение темпа охлаждения для каждой элементарной площадки поверхности изделия.

Недостатками способа являются трудоемкость и энергоемкость, невозможность определения степени исчерпания защитных свойств изделия.

Известен способ автоматизированного неразрушающего контроля защитных свойств фильтрующе-поглощающих систем (Патент РФ № 2419783, МПК G01N25/48). Способ включает измерение температуры, контроль теплового эффекта процесса сорбции при поглощении углеродными сорбентами газовоздушной смеси с эталонными веществами в динамических условиях, регистрацию изменения температуры поверхности сорбента при прохождении через него газовоздушной смеси с поглощаемым компонентом. О защитных свойствах косвенно судят по времени от начала продувки до достижения начальной температуры.

К недостаткам способа относятся необходимость использования эталонных веществ, необходимость формирования цилиндрического слоя вещества в динамической трубке, что делает невозможным контроль изделий, содержащих сорбент в форме пластины.

Наиболее близким техническим решением является способ неразрушающего контроля степени исчерпания защитных свойств фильтрующе-поглощающих изделий (Патент РФ № 2561014, МПК G01N25/48). Способ включает бесконтактное измерение температур, контроль теплового эффекта сорбции, определение коэффициента теплоотдачи на поверхности сорбента, омываемой газовоздушной смесью, содержащей поглощаемый компонент, определение мощности источников теплоты сорбции и скорости сорбции.

К недостаткам способа относится необходимость экспериментально определять коэффициент теплоотдачи на поверхности пластины и использовать его в расчетной формуле для определения степени исчерпания защитных свойств изделия. При этом результат определения коэффициента теплоотдачи содержит большую случайную относительную погрешность измерения, что обусловливает невысокую точность определения защитных свойств изделий.

Техническая задача изобретения - повышение точности контроля степени исчерпания защитных свойств фильтрующе-поглощающих изделий в форме пластин.

Данная техническая задача решается тем, что контролируют разность температур поверхности образца фильтрующе-поглощающего изделия в форме пластины и поверхности плоского нагревателя, размещенных в одинаковых условиях теплообмена, предусматривающих, что их поверхности омываются газовоздушным потоком, содержащим поглощаемый компонент. В результате экзотермической реакции сорбции фильтрующе-поглощающая пластина нагревается. При этом регулируют напряжение питания нагревателя так, чтобы контролируемая разность температур находилась в заданном диапазоне значений ±0,5 °С. Степень исчерпания защитных свойств изделия определяют по формуле

(1)

где U - напряжение питания нагревателя;

- поправочный коэффициент, учитывающий отклонение свойств и геометрических размеров образца сорбента от нагревателя; K_R=R_о/R_н - отношение ½ толщины образца к ½ толщины нагревателя; а_н - температуропроводность нагревателя; i - индекс, обозначающий текущий момент времени контроля; max - индекс, обозначающий максимальное значение соответствующего параметра за период с начала контроля и до i-го момента включительно.

Расчетная формула (1) получена следующим образом. Разобьем весь интервал времени работы контролируемого изделия на n промежутков, в каждом из которых можно допустить постоянство мощности источников тепла, действующих в пластине фильтрующе-поглощающего изделия и в нагревателе. Рассматриваем случай, когда толщина изделия и нагревателя не менее чем в 5 раз меньше их линейных размеров. Тогда изделие и нагреватель можно считать неограниченными пластинами, т.е. поле температур будет зависеть только от толщины пластины. Уравнение температурного поля неограниченной пластины с граничными условиями третьего рода и с источниками тепла постоянной мощности имеет вид

, (2)

где , T₀, T_c - температура пластины, начальная температура, температура среды, соответственно; x, - пространственная координата и время, соответственно; R - половина толщины пластины; ; w - объемная мощность источников тепла, действующих в пластине; - теплопроводность пластины; Bi - число Био, характеризующее условия теплообмена на поверхности пластины; ; a - температуропроводность пластины; - корни уравнения ; A_n - характеристические амплитуды.

При Bi<0,1, что характерно для условий работы фильтрующе-поглощающих изделий, амплитуда A₁=1, A₂=-0,002 A₁, т.е. можно пренебречь всеми членами ряда (2) кроме первого. Для малых Bi можно без существенной потери точности заменить tg на . В этом случае характеристическое уравнение примет вид Bi=. Поскольку метод предполагает измерение температуры поверхности пластины, то x=R. С учетом этого, обозначив T - температура на поверхности пластины, из (2) получим уравнения температурных полей поверхности фильтрующе-поглощающего изделия и нагревателя

,

,

где индексы и, н относятся к изделию и нагревателю, соответственно.

Поскольку условия теплообмена на поверхности изделия и нагревателя одинаковы, то коэффициенты теплоотдачи α равны. Тогда или , где , K_R =R_и/R_н – коэффициенты, учитывающие отклонение теплопроводности и геометрических размеров изделия от нагревателя, соответственно. Числа Померанцева для изделия и нагревателя связаны между собой следующим соотношением , где – коэффициент, учитывающий отклонение объемной мощности источников тепла изделия и нагревателя. Числа Фурье для изделия и нагревателя связаны между собой уравнением при равенстве температуропроводностей изделия и нагревателя. С учетом записанных выражений и равенства температур поверхности изделия и нагревателя , получим

Из численного решения последнего уравнения при: K_R (1; 2] – толщина изделия не превышает двух толщин нагревателя; Bi_н[0, 0.05];

Fo_н[0,0001; 0,5] – рассматриваем малый промежуток времени; [0,9;1,1] – допускаем, что теплофизические свойства нагревателя и изделия близки; получим .

В каждый i-й момент времени скорость сорбции компонента газовой смеси пропорциональна мощности источников теплоты, действующих в изделии, т.е. , где – суммарный тепловой эффект поглощения газового компонента; – плотность газового компонента; – текущее поглощение (содержание) поглощаемого компонента в единице объема изделия. Поэтому степень исчерпания защитных свойств изделия будем характеризовать величиной , где – максимальная мощность источников тепла в изделии, соответствующая максимальной скорости сорбции поглощаемого компонента. Последнее выражение, с учетом K_w можно записать в виде , где объемная мощность источников тепла нагревателя может быть вычислена через его напряжение U, сопротивление r_н, объем V_н по формуле. С учетом которой, выражение для степени исчерпания защитных свойств примет вид

Обозначив , , из последней формулы получим (1).

Способ контроля степени исчерпания защитных свойств фильтрующе-поглощающих изделий в форме пластин реализуется следующим образом.

Образец 1 на фиг.1 контролируемого изделия и нагреватель 2 размещают в герметичной камере 3 или условно-герметичном помещении (имеется в виду, что в помещении или камере создается подпор, предотвращающий попадание наружного воздуха в объем), где требуется осуществлять адсорбцию (хемосорбцию) компонента газовоздушной смеси. Камера 3 представляет объем идеального смешения, в котором концентрация поглощаемого компонента одинакова по всему объему. При этом для предотвращения образования застойных зон и неравномерного распределения концентрации компонента используют один или несколько вентиляторов 4, размещая их таким образом, чтобы условия теплообмена на поверхности изделия 1 и нагревателя 2 были одинаковыми. В процессе поглощения компонента газовой смеси изделием, последнее нагревается. При этом бесконтактным методом посредством тепловизора 5 на фиг.1 измеряется разность между среднеинтегральной (средней по площади изделия) температурой T_и поверхности изделия и среднеинтегральной температурой T_н нагревателя. Измеренная разность температур поступает в компьютер 6, который формирует сигнал управления на модуле вывода 7 и изменяет напряжение U_i нагревателя через устройство вывода 8 с использованием широтно-импульсной модуляции и напряжения U (от блока питания 9), таким образом, что абсолютное значение разности температур T_и-T_н не превышает заданного значения 0,5 градуса Цельсия (фиг 2). Текущее значение U_i напряжения нагревателя сравнивают со значениями за предыдущий период времени измерения и за U_max принимают максимальное значение. Степень исчерпания защитных свойств изделий определяют по формуле (1).

По сравнению с прототипом (Патент РФ № 2561014, МПК G01N25/48), в заявленном способе исключена операция определения коэффициента теплоотдачи на поверхности сорбента. При этом указанный параметр является основным источником погрешности, вносящим наибольший вклад в погрешность контроля степени исчерпания защитных свойств. Таким образом, решена поставленная техническая задача изобретения - повышение точности контроля степени исчерпания защитных свойств фильтрующе-поглощающих изделий в форме пластин.