Помощь студентам в учебе
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛОВ, КОНТАКТНОГО И ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЙ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО
КОНТРОЛЯ 19
1.1 Термоэлектрический метод контроля пластической деформации металлов. 22
1.2 Термоэлектрический метод контроля теплового сопротивления двух
соприкасающихся поверхностей 31
1.3 Термоэлектрический метод контроля контактного соединения 38
1.4 Термоэлектрический метод контроля качества токарной обработки и сварки
металлов 42
1.5 Термоэлектрический метод контроля степени наводораживания металлов . 48
1.6 Термоэлектрический метод контроля в медицине 52
1.7 Приборы термоэлектрического контроля 55
1.7.1 Структуроскоп термоэлектрический МЕТЭК-М 55
1.7.2 Термоэлектрический прибор Т-3СП 56
1.7.3 Термоэлектрический дефектоскоп-толщиномер ТЭС-364М 58
1.7.4 Определитель металлов термоэлектрический ОМЕТ 59
1.7.5 Приборы для измерения коэффициента Зеебека и электрического
сопротивления 60
ВЫВОДЫ 63
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ИСТОЧНИКОВ ЭДС 65
2.1 Исследование электрических характеристик источника термоЭДС 65
2.2 Исследование электрических характеристик эквивалентного источника
термоЭДС при многоконтактном соединении 73
ВЫВОДЫ 101
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
МЕТАЛЛОВ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ 102
3.1 Исследование электрических характеристик термопар с нулевой
деформацией 104
3.2 Исследование электрических характеристик термопар с деформацией 17 %
.••••••••••• .........................................................................111
3.3 Исследование электрических характеристик термопар с деформацией 33 %
119
3.4 Влияние степени пластической деформации на величину термоЭДС и
внутреннее сопротивление 126
ВЫВОДЫ 130
ГЛАВА 4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КОНТАКТНОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ В СЕТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 132
4.1 Контроль контактного сопротивления. Теоретический анализ 136
4.2 Экспериментальные исследования 148
4.3 Алгоритм детектирования неисправного контактного соединения в сети
электроснабжения 151
ВЫВОДЫ 158
ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
МЕТОДА КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВУХ
СОПРИКАСАЮЩИХСЯ ПРОВОДЯЩИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ПОВЕРХНОСТЕЙ 160
5.1 Теоретические основы применения термоэлектрического метода контроля теплового сопротивления двух соприкасающихся проводящих металлических поверхностей 162
5.2 Влияние теплового сопротивления на температуру корпуса тепловыделяющего электронного компонента и радиатора охлаждения 168
5.3 Исследование характеристик источника термоЭДС при изменении теплового
сопротивления 171
5.4 Экспериментальные исследования 177
ВЫВОДЫ 182
ГЛАВА 6. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 184
6.1 Прибор термоэлектрического контроля с дифференциальным датчиком ... 184
6.2 Прибор термоэлектрического контроля «ТЕРМОТЕСТ-2» 193
6.3 Прибор термоэлектрического контроля «Thermo Fitness Testing» 200
6.4 Прибор термоэлектрического контроля «ТЕРМОТЕСТ-4» 204
ВЫВОДЫ 212
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 214
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 217
Приложение А (справочное) Акты внедрения 248
ГЛАВА 1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО
КОНТРОЛЯ 19
1.1 Термоэлектрический метод контроля пластической деформации металлов. 22
1.2 Термоэлектрический метод контроля теплового сопротивления двух
соприкасающихся поверхностей 31
1.3 Термоэлектрический метод контроля контактного соединения 38
1.4 Термоэлектрический метод контроля качества токарной обработки и сварки
металлов 42
1.5 Термоэлектрический метод контроля степени наводораживания металлов . 48
1.6 Термоэлектрический метод контроля в медицине 52
1.7 Приборы термоэлектрического контроля 55
1.7.1 Структуроскоп термоэлектрический МЕТЭК-М 55
1.7.2 Термоэлектрический прибор Т-3СП 56
1.7.3 Термоэлектрический дефектоскоп-толщиномер ТЭС-364М 58
1.7.4 Определитель металлов термоэлектрический ОМЕТ 59
1.7.5 Приборы для измерения коэффициента Зеебека и электрического
сопротивления 60
ВЫВОДЫ 63
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ИСТОЧНИКОВ ЭДС 65
2.1 Исследование электрических характеристик источника термоЭДС 65
2.2 Исследование электрических характеристик эквивалентного источника
термоЭДС при многоконтактном соединении 73
ВЫВОДЫ 101
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
МЕТАЛЛОВ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ 102
3.1 Исследование электрических характеристик термопар с нулевой
деформацией 104
3.2 Исследование электрических характеристик термопар с деформацией 17 %
.••••••••••• .........................................................................111
3.3 Исследование электрических характеристик термопар с деформацией 33 %
119
3.4 Влияние степени пластической деформации на величину термоЭДС и
внутреннее сопротивление 126
ВЫВОДЫ 130
ГЛАВА 4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КОНТАКТНОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ В СЕТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 132
4.1 Контроль контактного сопротивления. Теоретический анализ 136
4.2 Экспериментальные исследования 148
4.3 Алгоритм детектирования неисправного контактного соединения в сети
электроснабжения 151
ВЫВОДЫ 158
ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
МЕТОДА КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВУХ
СОПРИКАСАЮЩИХСЯ ПРОВОДЯЩИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ПОВЕРХНОСТЕЙ 160
5.1 Теоретические основы применения термоэлектрического метода контроля теплового сопротивления двух соприкасающихся проводящих металлических поверхностей 162
5.2 Влияние теплового сопротивления на температуру корпуса тепловыделяющего электронного компонента и радиатора охлаждения 168
5.3 Исследование характеристик источника термоЭДС при изменении теплового
сопротивления 171
5.4 Экспериментальные исследования 177
ВЫВОДЫ 182
ГЛАВА 6. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 184
6.1 Прибор термоэлектрического контроля с дифференциальным датчиком ... 184
6.2 Прибор термоэлектрического контроля «ТЕРМОТЕСТ-2» 193
6.3 Прибор термоэлектрического контроля «Thermo Fitness Testing» 200
6.4 Прибор термоэлектрического контроля «ТЕРМОТЕСТ-4» 204
ВЫВОДЫ 212
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 214
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 217
Приложение А (справочное) Акты внедрения 248
С открытием эффекта Зеебека термоэлектрический метод стал применяться для неразрушающего контроля проводящих металлов и сплавов [1-28].
Долгое время его применение ограничивалось экспресс-контролем металлов и сплавов. По величине термоЭДС детектировалась марка стали либо структурное состояние, либо химический состав из-за влияния этих характеристик на величину термоЭДС [29, 30].
Область применения термоэлектричества в неразрушающем контроле активно развивается. Многие коллективы как в России, так и за рубежом проводят исследования по улучшению характеристик приборов термоэлектрического контроля, по изучению термоэлектрических характеристик металлов и сплавов.
Большую работу проделали ученые из Белорусской академии наук Лухвич А.А., Шарандо В.И. и Каролик А.С. Они исследовали термоэлектрические характеристики благородных и переходных металлов. Им удалось математически описать величину термоЭДС используя в качестве отправной точки электронную структуру металла. Для оценки влияния примесей на термоЭДС они использовали энергетический спектр электронов, описав его с помощью поверхности Ферми.
Ученые из Волгоградского государственного технического университета Корндорф С.Ф. и Нестерович Ю.И. исследовали термоэлектрические характеристики металлов прошедших термическую обработку. На основе этих исследований был предложен термоэлектрический способ контроля твердости. При практической реализации этого способа выявился его основной недостаток, заключающийся в низкой повторяемости результатов контроля при многократных измерениях, что было вызвано использованием горячего электрода с точечным контактом и при неизбежной неоднородности поверхности изделия по химическому составу и невозможности обеспечения повторного попадания горячего электрода в тоже место поверхности образца при ручном контроле приводило к изменению показаний прибора.
Другим недостатком приборов термоэлектрического контроля является зависимость показаний от усилия прижима электродов к контролируемому изделию. Это явление отмечается в работах Лухвича А.А, Нестеровича Ю.И. [31], Hu J. and Nagy P. Влияние многоцикловой нагрузки на термоЭДС металлов исследовала группа ученых из Орловского государственного технического университета под руководством Тупикина Д.А.
В начале 21 века сфера применения термоэлектрического контроля существенно расширилась [32-37]. Была показана возможность и перспективность применения термоэлектрического метода для контроля пластической деформации металлов и сплавов. В работах Акулова была показана зависимость плотности дислокаций от величины деформации, дислокации напрямую влияют на величину термоЭДС. Однако многие металлы и сплавы имеют немонотонную зависимость величины термоЭДС от степени пластической деформации. Это ограничивает использование приборов термоэлектрического контроля для определения степени пластической деформации.
Ученые из Волгоградского государственного технического университета С.Ф.Корндорф, Е.Е.Мельник, Плотников А.Л., Сергеев А.С. и Тихонова Ж.С. исследовали режимы токарной обработки металлов с помощью термоэлектрического метода. С появлением технологии сварки трением с перемешиванием, которая позволяет получить сварное соединение с более высокими механическими характеристиками, возникла необходимость контроля процесса сварки, при этом критически важно соблюдать стабильный технологический режим для получения качественного сварного соединения. Для этих целей использовали термопару, образованную сварным инструментом и свариваемыми металлами. Такие исследования были проведены Ana Magalhaes, Jeroen De Backer и Gunnar Bolmsjo.
Термоэлектрический метод успешно применяется и для контроля степени наводораживания титанового сплава. Такие исследования были проведены Лидером А.М., Ларионовым В.В. и Суртановым М.С.
Ученые из научно- производственного центра «Полюс» М.С. Васильев И.М. и Деменьев А.А, а также группа ученых из национального исследовательского Томского политехнического университета Солдатов А.А. и Костина М.А. применили термоэлектрический метод [38-40] для контроля теплового сопротивления между силовым полупроводниковым прибором и радиатором охлаждения, которые широко применяются в радиоэлектронике. Такой подход позволил контролировать тепловое сопротивление после установки силового полупроводникового прибора на радиатор охлаждения, т.е. уже в собранном виде. Однако такой контроль позволял определять только тепловое сопротивление и не давал ответ на главный вопрос о причине возникновения большого теплового сопротивления.
Контроль контактного сопротивления в сети электроснабжения термоэлектрическим методом был предложен и исследован группой ученых из национального исследовательского Томского политехнического университета. В своих работах Солдатов Д.А и Костина М.А. исследовали изменение термоЭДС контактной пары из разнородных металлов при протекании тока нагрузки через эту контактную пару. Был предложен способ выделения сигнала термоЭДС в сети переменного тока. Было проведено лабораторное обоснование термоэлектрического метода для контроля контактного сопротивления с целью предупреждения возгорания изоляции подводящих проводов. Однако предложенный подход требует установки приборов термоэлектрического контроля на каждое контактное соединение, что является экономически нецелесообразным.
Отмеченные недостатки ограничивают сферу применения
термоэлектрического метода, поэтому необходимо провести дополнительные исследования для выявления новых подходов к устранению указанных недостатков. Соответственно тема диссертационного исследования является актуальной.
Объект исследования - термоэлектрический эффект.
Предмет исследования
термоэлектрического контроля.
В соответствии с этим, целью работы является разработка методов и аппаратуры термоэлектрического контроля металлов и сплавов с разным структурным состоянием, а также контроля теплового и контактного сопротивления при соединении двух металлов.
Достижение поставленных целей потребовало решения следующих основных задач:
1. Разработать модель для исследования электрических характеристик эквивалентного источника термоЭДС, полученного за счет параллельного соединения нескольких источников термоЭДС, и определить его внутреннее сопротивление.
2. Исследовать электрические характеристики источника термоЭДС, образованного пластически деформированными металлами и сплавами. Определить влияние пластической деформации на внутреннее сопротивление и внешнюю характеристику источника темоЭДС.
3. Исследовать влияние границы соприкосновения двух плоских поверхностей на внутреннее сопротивление эквивалентного источника термоЭДС, полученного за счет параллельного соединения нескольких источников термоЭДС.
4. Разработать метод детектирования оптимального количества термоинтерфейса в зазоре между двумя соприкасающимися поверхностями для получения минимального теплового сопротивления между ними.
5. Разработать алгоритм детектирования контактного соединения с большим переходным сопротивлением из множества контактных соединений, подлежащих контролю с использованием одного термоэлектрического прибора.
Научная новизна работы.
Анализ экспериментальных и расчетных данных, полученных в исследовательской части работы, анализ результатов испытаний разработанных приборов термоэлектрического контроля позволили получить новые научные знания, которые формулируются следующим образом:
• При контроле структурного состояния и дефектов в металлах и сплавах с близкими значениями термоЭДС предложено использовать внутреннее сопротивление источника термоЭДС, образованного двумя разнородными металлами.
• Предложена методика контроля внутреннего сопротивления источника термоЭДС, основанная на учете контактного сопротивления и сопротивления подводящих проводов. Расчет внутреннего сопротивления источника термоЭДС производится путем умножения сопротивления нагрузки на дробь, числитель которой определяется путем вычитания величины термоЭДС при наличии нагрузки и напряжения на контактном сопротивлении и сопротивлении подводящих проводов из величины термоЭДС при отсутствии нагрузки, а знаменатель равен разности величины термоЭДС при наличии нагрузки и напряжения на контактном сопротивлении и сопротивлении подводящих проводов.
• Возможность контроля структурного состояния и дефектов в металлах и сплавах с близкими значениями термоЭДС с использованием внутреннего сопротивления источника термоЭДС основана на отсутствии влияния сопротивления нагрузки и разницы температур между горячим и холодным спаями источника термоЭДС на его внутреннее сопротивление.
• Контроль степени пластической деформации с использованием внутреннего сопротивления источника термоЭДС основана на влиянии пластической деформации на внутреннее сопротивление источника термоЭДС, образованного пластически деформированным металлом или сплавом.
• Внутреннее сопротивление эквивалентного источника термоЭДС, образованного параллельным соединением нескольких источников термоЭДС, равно параллельному соединению внутренних сопротивлений этих источников термоЭДС.
• Предложен метод определения оптимального количества теплопроводящей пасты в зазоре двух соприкасающихся поверхностей для получения минимального теплового сопротивления между ними, основанный на использовании внутреннего сопротивления эквивалентного источника термоЭДС, образованного параллельным соединением нескольких источников термоЭДС.
• Разработана методика детектирования большого контактного сопротивления в сети электроснабжения из некоторого множества контактных соединений, выбранных для контроля, основанная на данных о включенной электроустановке, токе через эту электроустановку и величине термоЭДС до и после включения электроустановки.
• Созданы уникальные термоэлектрические приборы для контроля степени пластической деформации, определения оптимального количества теплопроводящей пасты между двумя соприкасающимися поверхностями для получения минимального теплового сопротивления между ними, детектирования контактного соединения в сети электроснабжения с большим контактным сопротивлением, не имеющие аналогов в мире.
Совокупность полученных результатов позволила на высоком научнотехническом уровне решить важную техническую задачу по расширению сферы применения термоэлектрического метода для контроля металлов и сплавов.
Практическая значимость и внедрение результатов работы.
Результаты проведенных исследований позволили развить теорию термоэлектричества и существенно расширить сферу применения термоэлектрического контроля. Созданы уникальные приборы, нашедшие практическое применение в акционерном обществе «Томский электромеханический завод им. В.В. Вахрушева», г. Томск, акционерном обществе «Научно-производственный центр «Полюс», г. Томск, АО «Прорыв» корпорации Росатома, г. Москва, АО «Химотест», г. Томск.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, Национальном исследовательском Томском политехническом университете, а также при подготовке магистерских и кандидатских диссертаций.
Автор выносит на защиту следующие основные положения:
1. Для контроля металлов и сплавов с близкими значениями термоЭДС в качестве дополнительного информативного параметра следует использовать внутреннее сопротивление источника термоЭДС, которое является его уникальной характеристикой.
2. Отличительной особенностью внутреннего сопротивления источника термоЭДС, используемого при контроле металлов и сплавов с близкими значениями термоЭДС в качестве дополнительного информативного параметра, является его независимость от температуры горячего и холодного спаев, поэтому отпадает необходимость стабилизации разности температур между горячим и холодным спаями.
3. При дефектоскопии металлов и сплавов на основе внутреннего сопротивления источника термоЭДС необходимо использовать нагрузочное сопротивление в диапазоне от 10 до 100 Ом и учитывать контактное сопротивление и сопротивление подводящих проводов. В этом случае погрешности определения внутреннего сопротивления не превышает 10 %.
4. При контроле пластически деформированных металлов и сплавов изменяется не только величина термоЭДС, но и внутреннее сопротивление источника термоЭДС, образованного пластически деформированным металлом. Контроль степени пластической деформации необходимо проводить, используя отношение термоЭДС к внутреннему сопротивлению. При этом получается монотонная зависимость этого отношения от степени пластической деформации.
5. Для контроля оптимального количества теплопроводящей пасты в зазоре двух соприкасающихся поверхностей для получения минимального теплового сопротивления между ними следует использовать зависимость внутреннего сопротивления эквивалентного источника термоЭДС от толщины слоя термопасты.
6. Для детектирования большого контактного сопротивления в сети электроснабжения из некоторого множества контактных соединений, выбранных для контроля, необходимо использовать данные о включенной электроустановке, токе через эту электроустановку, величине термоЭДС до и после включения электроустановки.
7. Комплекс разработанных приборов термоэлектрического контроля, не имеющих аналогов.
Апробация работы.
Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены и обсуждены на следующих конференциях:
1. VIII Всероссийская научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения», г. Махачкала, 2023.
2. XX Международная школа-конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Инноватика-2024», г. Томск, 2024.
3. XVII Международная школа-конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Инноватика-2021», г. Томск, 2021.
4. III Международный форум «Интеллектуальные системы 4-й
промышленной революции», г. Томск, 2020.
5. International Conference «Actual Trends in Radiophysics», 2020.
6. 5th International Workshop on Innovations in Information and Communication Science and Technology, Malang, Indonesia, 2020.
7. Всероссийская научно-методическая конференция «Современные технологии, экономика и образование», 2019.
8. International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON- 2019, г. Томск.
9. Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2018.
10. International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON- 2017, г. Томск.
11. MATEC Web of Conferences. - 2017
12. International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2016, г. Томск.
13. 6th International Conference on Key Engineering Materials, ICKEM 2016, г.Томск
14. International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems, MEACS 2015.
15. XVIII международная научно-практическая конференция
«Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность», «SibTest-2013», г. Иркутск, 2013.
16. XVIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ- 2012», г. Томск, 2012.
17. XVII международная научно-практическая конференция «Современные техника и технологии СТТ-2011», г. Томск, 2011.
18. Международная конференция «SibTest-2011», г. Горно-Алтайск, 2011.
19. Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Методы и средства неразрушающего контроля», г. Томск, 2011.
20. XIII международная конференция «Materials, Methods and Tehnologies», Болгария, 2011.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 18 статьях, из них 13 в журналах индексируемых в базах данных SCOPUS, и 5 в журналах рекомендованных ВАК РФ, 22 докладах, 15 описаниях изобретений, общий список которых приведен в конце диссертации.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения. Объем диссертации составляет 256 страниц, 129 рисунков и 17 таблиц. Обзор литературных данных содержит 269 наименований.
Содержание диссертации изложено следующим образом.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи, определены объект и предмет исследования, представлены научная новизна работы и ее практическая значимость, приведены положения, выносимые на защиту, показана апробация работы на конференциях различного уровня.
В первой главе проведен обзор областей использования термоэлектрического метода. Показана возможность и перспективность применения термоэлектрического метода для контроля пластической деформации металлов и сплавов. В работах Акулова была показана зависимость плотности дислокаций от величины пластической деформации, а как известно дислокации напрямую влияют на величину термоЭДС. Также показана возможность контроля теплового сопротивления между силовым полупроводниковым прибором и радиатором охлаждения, которые широко применяются в радиоэлектронике. Такой подход позволил контролировать тепловое сопротивление после установки силового полупроводникового прибора на радиатор охлаждения, т.е. уже в собранном виде. Радиаторы охлаждения широко используются для охлаждения электронных компонентов, работающих с высокой нагрузкой, что позволяет увеличить срок службы таких электронных компонентов. В открытой печати опубликованы работы отечественных авторов применению термоэлектрического метода для контроля теплового сопротивления конструкции корпус силового тепловыделяющего электронного компонента - радиатор охлаждения в собранном виде. Получена зависимость термоЭДС от теплового сопротивления. Контроль контактного сопротивления в сети электроснабжения был осуществлен термоэлектрическим методом. Ток нагрузки нагревает контактную пару и при различии коэффициентов Зеебека у этой пары возникает термоЭДС. Однако предложенный подход требует установки приборов термоэлектрического контроля на каждое контактное соединение, что является экономически нецелесообразным. Не менее интересной сферой применения термоэлектрического контроля является контроль качества токарной обработки и сварки металлов. При токарной обработке режущая кромка резца нагревается, и возникает разница температур между режущей кромкой и торцом резца, закрепленного на станке. Для выполнения условия Зеебека необходим второй проводник. Его роль выполняет обрабатываемая деталь, которая имеет температуру патрона токарного станка и температуру режущей кромки резца в месте их контакта. Таким способом контролировали температуру режущей кромки резца для увеличения срока его службы. С внедрением технологии сварки трением с перемешиванием, которая позволяет получить сварное соединение с более высокими механическими характеристиками, возникла необходимость контроля процесса сварки, при этом критически важно соблюдать стабильный технологический режим для получения качественного сварного соединения. Для этих целей использовали термопару, образованную сварным инструментом и свариваемыми металлами. При таком подходе время реакции термопары на изменение температуры существенно сокращается, кроме того, увеличивается точность измерения температуры, т.к. термопара расположена в самом сварном соединении. Термоэлектрический метод успешно применяется и для контроля степени наводораживания титанового сплава.
Исследованы приборы термоэлектрического контроля с прямым и дифференциальным методами измерения термоэлектродвижущей силы. Показаны их преимущества и недостатки.
Во второй главе приведены результаты исследований электрических характеристик источников термоЭДС. Исследованы характеристики эквивалентного источника термоЭДС, образованного параллельным соединением нескольких источников термоЭДС. Показана неизменность внутреннего сопротивления при изменении температуры горячего спая и сопротивления нагрузки. Показана возможность использования внутреннего сопротивления источника термоЭДС в качестве информативной характеристики при неразрушающем контроле металлов и сплавов термоэлектрическим методом. При параллельном соединении нескольких источников термоЭДС внутреннее сопротивление эквивалентного источника будет равно параллельному соединению внутренних сопротивлений каждого источника.
В третьей главе приведены результаты исследований электрических характеристик источников термоЭДС, образованных пластически
деформированных металлов и сплавов. Выявлено изменение внутреннего сопротивления источника термоЭДС при изменении степени пластической деформации. Показана возможность использования внутреннего сопротивления для детектирования мест пластической деформации. Выявлена разнонаправленная зависимость внутреннего сопротивления от степени пластической деформации для разных металлов. Однако совместно с величиной термоЭДС внутреннее сопротивление позволяет однозначно определять степень пластической деформации.
В четвертой главе проведены теоретические исследования термоэлектрического контроля контактного сопротивления, получаемого при соединении двух проводников. Предложен способ выявления контактного соединения с высоким сопротивлением из группы контролируемых контактных соединений с использованием одного прибора термоэлектрического контроля.
В пятой главе представлены результаты теоретических исследований по контролю теплового сопротивления двух соприкасающихся проводящих металлических поверхностей термоэлектрическим методом. Такой контроль необходим при монтаже тепловыделяющего электронного компонента на радиатор охлаждения. Показана зависимость величины термоЭДС от теплового сопротивления. Предложено использовать внутреннее сопротивление источника термоЭДС, образованного двумя соприкасающимися поверхностями, в качестве информативного параметра для контроля слоя теплопроводящей пасты в зазоре корпуса тепловыделяющего электронного компонента и радиатора охлаждения.
В шестой главе представлены результаты практической реализации проведенных исследований. Приведены описания и технические характеристики приборов термоэлектрического контроля, внедренных в реальный сектор экономики.
Выводы по работе делаются в конце каждой главы.
В заключении перечислены основные результаты, полученные в
диссертационной работе.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается
непротиворечивостью полученных в исследовательской части работы результатов с данными других авторов (там, где таковые имеются), совпадением экспериментальных и расчетных значений величины термоЭДС и внутреннего сопротивления, работоспособностью изготовленных систем контроля, результатами лабораторных и натурных испытаний. Результаты испытаний и внедрений разработанных систем контроля приведены в Приложении А.
Работа выполнена с использованием результатов, полученных лично автором, совместно с коллегами - в равном участии, а также при творческом участии автора в постановке задач исследований и разработок.
Автором непосредственно проведено:
• анализ современного состояния исследований и разработок приборов термоэлектрического контроля изделий из металлов;
• исследования электрических характеристик источников термоЭДС;
• исследования электрических характеристик эквивалентного источника термоЭДС, образованного параллельным соединением нескольких источников термоЭДС;
• исследования электрических характеристик источников термоЭДС, образованных пластически деформированными металлами и сплавами;
• исследования электрических характеристик эквивалентного источника термоЭДС при параллельном соединении нескольких источников термоЭДС, образованных пластически деформированными металлами и сплавами;
• исследования электрических характеристик источников термоЭДС,
образующихся при контактном соединении двух проводников;
• исследования электрических характеристик источников термоЭДС,
образующихся при контактном соединении двух поверхностей;
• проведен анализ влияния количества теплопроводящей пасты в зазоре контактирующих поверхностей на величину внутреннего сопротивления источника термоЭДС, образованного этими соприкасающимися поверхностями.
При непосредственном участии автора, в качестве научного руководителя, разработан и изготовлен ряд действующих приборов для неразрушающего контроля металлов и сплавов термоэлектрическим методом.
Большая часть совместных исследований и разработок выполнена в творческом содружестве с сотрудниками отделения электронной инженерии инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Долгое время его применение ограничивалось экспресс-контролем металлов и сплавов. По величине термоЭДС детектировалась марка стали либо структурное состояние, либо химический состав из-за влияния этих характеристик на величину термоЭДС [29, 30].
Область применения термоэлектричества в неразрушающем контроле активно развивается. Многие коллективы как в России, так и за рубежом проводят исследования по улучшению характеристик приборов термоэлектрического контроля, по изучению термоэлектрических характеристик металлов и сплавов.
Большую работу проделали ученые из Белорусской академии наук Лухвич А.А., Шарандо В.И. и Каролик А.С. Они исследовали термоэлектрические характеристики благородных и переходных металлов. Им удалось математически описать величину термоЭДС используя в качестве отправной точки электронную структуру металла. Для оценки влияния примесей на термоЭДС они использовали энергетический спектр электронов, описав его с помощью поверхности Ферми.
Ученые из Волгоградского государственного технического университета Корндорф С.Ф. и Нестерович Ю.И. исследовали термоэлектрические характеристики металлов прошедших термическую обработку. На основе этих исследований был предложен термоэлектрический способ контроля твердости. При практической реализации этого способа выявился его основной недостаток, заключающийся в низкой повторяемости результатов контроля при многократных измерениях, что было вызвано использованием горячего электрода с точечным контактом и при неизбежной неоднородности поверхности изделия по химическому составу и невозможности обеспечения повторного попадания горячего электрода в тоже место поверхности образца при ручном контроле приводило к изменению показаний прибора.
Другим недостатком приборов термоэлектрического контроля является зависимость показаний от усилия прижима электродов к контролируемому изделию. Это явление отмечается в работах Лухвича А.А, Нестеровича Ю.И. [31], Hu J. and Nagy P. Влияние многоцикловой нагрузки на термоЭДС металлов исследовала группа ученых из Орловского государственного технического университета под руководством Тупикина Д.А.
В начале 21 века сфера применения термоэлектрического контроля существенно расширилась [32-37]. Была показана возможность и перспективность применения термоэлектрического метода для контроля пластической деформации металлов и сплавов. В работах Акулова была показана зависимость плотности дислокаций от величины деформации, дислокации напрямую влияют на величину термоЭДС. Однако многие металлы и сплавы имеют немонотонную зависимость величины термоЭДС от степени пластической деформации. Это ограничивает использование приборов термоэлектрического контроля для определения степени пластической деформации.
Ученые из Волгоградского государственного технического университета С.Ф.Корндорф, Е.Е.Мельник, Плотников А.Л., Сергеев А.С. и Тихонова Ж.С. исследовали режимы токарной обработки металлов с помощью термоэлектрического метода. С появлением технологии сварки трением с перемешиванием, которая позволяет получить сварное соединение с более высокими механическими характеристиками, возникла необходимость контроля процесса сварки, при этом критически важно соблюдать стабильный технологический режим для получения качественного сварного соединения. Для этих целей использовали термопару, образованную сварным инструментом и свариваемыми металлами. Такие исследования были проведены Ana Magalhaes, Jeroen De Backer и Gunnar Bolmsjo.
Термоэлектрический метод успешно применяется и для контроля степени наводораживания титанового сплава. Такие исследования были проведены Лидером А.М., Ларионовым В.В. и Суртановым М.С.
Ученые из научно- производственного центра «Полюс» М.С. Васильев И.М. и Деменьев А.А, а также группа ученых из национального исследовательского Томского политехнического университета Солдатов А.А. и Костина М.А. применили термоэлектрический метод [38-40] для контроля теплового сопротивления между силовым полупроводниковым прибором и радиатором охлаждения, которые широко применяются в радиоэлектронике. Такой подход позволил контролировать тепловое сопротивление после установки силового полупроводникового прибора на радиатор охлаждения, т.е. уже в собранном виде. Однако такой контроль позволял определять только тепловое сопротивление и не давал ответ на главный вопрос о причине возникновения большого теплового сопротивления.
Контроль контактного сопротивления в сети электроснабжения термоэлектрическим методом был предложен и исследован группой ученых из национального исследовательского Томского политехнического университета. В своих работах Солдатов Д.А и Костина М.А. исследовали изменение термоЭДС контактной пары из разнородных металлов при протекании тока нагрузки через эту контактную пару. Был предложен способ выделения сигнала термоЭДС в сети переменного тока. Было проведено лабораторное обоснование термоэлектрического метода для контроля контактного сопротивления с целью предупреждения возгорания изоляции подводящих проводов. Однако предложенный подход требует установки приборов термоэлектрического контроля на каждое контактное соединение, что является экономически нецелесообразным.
Отмеченные недостатки ограничивают сферу применения
термоэлектрического метода, поэтому необходимо провести дополнительные исследования для выявления новых подходов к устранению указанных недостатков. Соответственно тема диссертационного исследования является актуальной.
Объект исследования - термоэлектрический эффект.
Предмет исследования
термоэлектрического контроля.
В соответствии с этим, целью работы является разработка методов и аппаратуры термоэлектрического контроля металлов и сплавов с разным структурным состоянием, а также контроля теплового и контактного сопротивления при соединении двух металлов.
Достижение поставленных целей потребовало решения следующих основных задач:
1. Разработать модель для исследования электрических характеристик эквивалентного источника термоЭДС, полученного за счет параллельного соединения нескольких источников термоЭДС, и определить его внутреннее сопротивление.
2. Исследовать электрические характеристики источника термоЭДС, образованного пластически деформированными металлами и сплавами. Определить влияние пластической деформации на внутреннее сопротивление и внешнюю характеристику источника темоЭДС.
3. Исследовать влияние границы соприкосновения двух плоских поверхностей на внутреннее сопротивление эквивалентного источника термоЭДС, полученного за счет параллельного соединения нескольких источников термоЭДС.
4. Разработать метод детектирования оптимального количества термоинтерфейса в зазоре между двумя соприкасающимися поверхностями для получения минимального теплового сопротивления между ними.
5. Разработать алгоритм детектирования контактного соединения с большим переходным сопротивлением из множества контактных соединений, подлежащих контролю с использованием одного термоэлектрического прибора.
Научная новизна работы.
Анализ экспериментальных и расчетных данных, полученных в исследовательской части работы, анализ результатов испытаний разработанных приборов термоэлектрического контроля позволили получить новые научные знания, которые формулируются следующим образом:
• При контроле структурного состояния и дефектов в металлах и сплавах с близкими значениями термоЭДС предложено использовать внутреннее сопротивление источника термоЭДС, образованного двумя разнородными металлами.
• Предложена методика контроля внутреннего сопротивления источника термоЭДС, основанная на учете контактного сопротивления и сопротивления подводящих проводов. Расчет внутреннего сопротивления источника термоЭДС производится путем умножения сопротивления нагрузки на дробь, числитель которой определяется путем вычитания величины термоЭДС при наличии нагрузки и напряжения на контактном сопротивлении и сопротивлении подводящих проводов из величины термоЭДС при отсутствии нагрузки, а знаменатель равен разности величины термоЭДС при наличии нагрузки и напряжения на контактном сопротивлении и сопротивлении подводящих проводов.
• Возможность контроля структурного состояния и дефектов в металлах и сплавах с близкими значениями термоЭДС с использованием внутреннего сопротивления источника термоЭДС основана на отсутствии влияния сопротивления нагрузки и разницы температур между горячим и холодным спаями источника термоЭДС на его внутреннее сопротивление.
• Контроль степени пластической деформации с использованием внутреннего сопротивления источника термоЭДС основана на влиянии пластической деформации на внутреннее сопротивление источника термоЭДС, образованного пластически деформированным металлом или сплавом.
• Внутреннее сопротивление эквивалентного источника термоЭДС, образованного параллельным соединением нескольких источников термоЭДС, равно параллельному соединению внутренних сопротивлений этих источников термоЭДС.
• Предложен метод определения оптимального количества теплопроводящей пасты в зазоре двух соприкасающихся поверхностей для получения минимального теплового сопротивления между ними, основанный на использовании внутреннего сопротивления эквивалентного источника термоЭДС, образованного параллельным соединением нескольких источников термоЭДС.
• Разработана методика детектирования большого контактного сопротивления в сети электроснабжения из некоторого множества контактных соединений, выбранных для контроля, основанная на данных о включенной электроустановке, токе через эту электроустановку и величине термоЭДС до и после включения электроустановки.
• Созданы уникальные термоэлектрические приборы для контроля степени пластической деформации, определения оптимального количества теплопроводящей пасты между двумя соприкасающимися поверхностями для получения минимального теплового сопротивления между ними, детектирования контактного соединения в сети электроснабжения с большим контактным сопротивлением, не имеющие аналогов в мире.
Совокупность полученных результатов позволила на высоком научнотехническом уровне решить важную техническую задачу по расширению сферы применения термоэлектрического метода для контроля металлов и сплавов.
Практическая значимость и внедрение результатов работы.
Результаты проведенных исследований позволили развить теорию термоэлектричества и существенно расширить сферу применения термоэлектрического контроля. Созданы уникальные приборы, нашедшие практическое применение в акционерном обществе «Томский электромеханический завод им. В.В. Вахрушева», г. Томск, акционерном обществе «Научно-производственный центр «Полюс», г. Томск, АО «Прорыв» корпорации Росатома, г. Москва, АО «Химотест», г. Томск.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, Национальном исследовательском Томском политехническом университете, а также при подготовке магистерских и кандидатских диссертаций.
Автор выносит на защиту следующие основные положения:
1. Для контроля металлов и сплавов с близкими значениями термоЭДС в качестве дополнительного информативного параметра следует использовать внутреннее сопротивление источника термоЭДС, которое является его уникальной характеристикой.
2. Отличительной особенностью внутреннего сопротивления источника термоЭДС, используемого при контроле металлов и сплавов с близкими значениями термоЭДС в качестве дополнительного информативного параметра, является его независимость от температуры горячего и холодного спаев, поэтому отпадает необходимость стабилизации разности температур между горячим и холодным спаями.
3. При дефектоскопии металлов и сплавов на основе внутреннего сопротивления источника термоЭДС необходимо использовать нагрузочное сопротивление в диапазоне от 10 до 100 Ом и учитывать контактное сопротивление и сопротивление подводящих проводов. В этом случае погрешности определения внутреннего сопротивления не превышает 10 %.
4. При контроле пластически деформированных металлов и сплавов изменяется не только величина термоЭДС, но и внутреннее сопротивление источника термоЭДС, образованного пластически деформированным металлом. Контроль степени пластической деформации необходимо проводить, используя отношение термоЭДС к внутреннему сопротивлению. При этом получается монотонная зависимость этого отношения от степени пластической деформации.
5. Для контроля оптимального количества теплопроводящей пасты в зазоре двух соприкасающихся поверхностей для получения минимального теплового сопротивления между ними следует использовать зависимость внутреннего сопротивления эквивалентного источника термоЭДС от толщины слоя термопасты.
6. Для детектирования большого контактного сопротивления в сети электроснабжения из некоторого множества контактных соединений, выбранных для контроля, необходимо использовать данные о включенной электроустановке, токе через эту электроустановку, величине термоЭДС до и после включения электроустановки.
7. Комплекс разработанных приборов термоэлектрического контроля, не имеющих аналогов.
Апробация работы.
Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены и обсуждены на следующих конференциях:
1. VIII Всероссийская научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения», г. Махачкала, 2023.
2. XX Международная школа-конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Инноватика-2024», г. Томск, 2024.
3. XVII Международная школа-конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Инноватика-2021», г. Томск, 2021.
4. III Международный форум «Интеллектуальные системы 4-й
промышленной революции», г. Томск, 2020.
5. International Conference «Actual Trends in Radiophysics», 2020.
6. 5th International Workshop on Innovations in Information and Communication Science and Technology, Malang, Indonesia, 2020.
7. Всероссийская научно-методическая конференция «Современные технологии, экономика и образование», 2019.
8. International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON- 2019, г. Томск.
9. Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2018.
10. International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON- 2017, г. Томск.
11. MATEC Web of Conferences. - 2017
12. International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2016, г. Томск.
13. 6th International Conference on Key Engineering Materials, ICKEM 2016, г.Томск
14. International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems, MEACS 2015.
15. XVIII международная научно-практическая конференция
«Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность», «SibTest-2013», г. Иркутск, 2013.
16. XVIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ- 2012», г. Томск, 2012.
17. XVII международная научно-практическая конференция «Современные техника и технологии СТТ-2011», г. Томск, 2011.
18. Международная конференция «SibTest-2011», г. Горно-Алтайск, 2011.
19. Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Методы и средства неразрушающего контроля», г. Томск, 2011.
20. XIII международная конференция «Materials, Methods and Tehnologies», Болгария, 2011.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 18 статьях, из них 13 в журналах индексируемых в базах данных SCOPUS, и 5 в журналах рекомендованных ВАК РФ, 22 докладах, 15 описаниях изобретений, общий список которых приведен в конце диссертации.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения. Объем диссертации составляет 256 страниц, 129 рисунков и 17 таблиц. Обзор литературных данных содержит 269 наименований.
Содержание диссертации изложено следующим образом.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи, определены объект и предмет исследования, представлены научная новизна работы и ее практическая значимость, приведены положения, выносимые на защиту, показана апробация работы на конференциях различного уровня.
В первой главе проведен обзор областей использования термоэлектрического метода. Показана возможность и перспективность применения термоэлектрического метода для контроля пластической деформации металлов и сплавов. В работах Акулова была показана зависимость плотности дислокаций от величины пластической деформации, а как известно дислокации напрямую влияют на величину термоЭДС. Также показана возможность контроля теплового сопротивления между силовым полупроводниковым прибором и радиатором охлаждения, которые широко применяются в радиоэлектронике. Такой подход позволил контролировать тепловое сопротивление после установки силового полупроводникового прибора на радиатор охлаждения, т.е. уже в собранном виде. Радиаторы охлаждения широко используются для охлаждения электронных компонентов, работающих с высокой нагрузкой, что позволяет увеличить срок службы таких электронных компонентов. В открытой печати опубликованы работы отечественных авторов применению термоэлектрического метода для контроля теплового сопротивления конструкции корпус силового тепловыделяющего электронного компонента - радиатор охлаждения в собранном виде. Получена зависимость термоЭДС от теплового сопротивления. Контроль контактного сопротивления в сети электроснабжения был осуществлен термоэлектрическим методом. Ток нагрузки нагревает контактную пару и при различии коэффициентов Зеебека у этой пары возникает термоЭДС. Однако предложенный подход требует установки приборов термоэлектрического контроля на каждое контактное соединение, что является экономически нецелесообразным. Не менее интересной сферой применения термоэлектрического контроля является контроль качества токарной обработки и сварки металлов. При токарной обработке режущая кромка резца нагревается, и возникает разница температур между режущей кромкой и торцом резца, закрепленного на станке. Для выполнения условия Зеебека необходим второй проводник. Его роль выполняет обрабатываемая деталь, которая имеет температуру патрона токарного станка и температуру режущей кромки резца в месте их контакта. Таким способом контролировали температуру режущей кромки резца для увеличения срока его службы. С внедрением технологии сварки трением с перемешиванием, которая позволяет получить сварное соединение с более высокими механическими характеристиками, возникла необходимость контроля процесса сварки, при этом критически важно соблюдать стабильный технологический режим для получения качественного сварного соединения. Для этих целей использовали термопару, образованную сварным инструментом и свариваемыми металлами. При таком подходе время реакции термопары на изменение температуры существенно сокращается, кроме того, увеличивается точность измерения температуры, т.к. термопара расположена в самом сварном соединении. Термоэлектрический метод успешно применяется и для контроля степени наводораживания титанового сплава.
Исследованы приборы термоэлектрического контроля с прямым и дифференциальным методами измерения термоэлектродвижущей силы. Показаны их преимущества и недостатки.
Во второй главе приведены результаты исследований электрических характеристик источников термоЭДС. Исследованы характеристики эквивалентного источника термоЭДС, образованного параллельным соединением нескольких источников термоЭДС. Показана неизменность внутреннего сопротивления при изменении температуры горячего спая и сопротивления нагрузки. Показана возможность использования внутреннего сопротивления источника термоЭДС в качестве информативной характеристики при неразрушающем контроле металлов и сплавов термоэлектрическим методом. При параллельном соединении нескольких источников термоЭДС внутреннее сопротивление эквивалентного источника будет равно параллельному соединению внутренних сопротивлений каждого источника.
В третьей главе приведены результаты исследований электрических характеристик источников термоЭДС, образованных пластически
деформированных металлов и сплавов. Выявлено изменение внутреннего сопротивления источника термоЭДС при изменении степени пластической деформации. Показана возможность использования внутреннего сопротивления для детектирования мест пластической деформации. Выявлена разнонаправленная зависимость внутреннего сопротивления от степени пластической деформации для разных металлов. Однако совместно с величиной термоЭДС внутреннее сопротивление позволяет однозначно определять степень пластической деформации.
В четвертой главе проведены теоретические исследования термоэлектрического контроля контактного сопротивления, получаемого при соединении двух проводников. Предложен способ выявления контактного соединения с высоким сопротивлением из группы контролируемых контактных соединений с использованием одного прибора термоэлектрического контроля.
В пятой главе представлены результаты теоретических исследований по контролю теплового сопротивления двух соприкасающихся проводящих металлических поверхностей термоэлектрическим методом. Такой контроль необходим при монтаже тепловыделяющего электронного компонента на радиатор охлаждения. Показана зависимость величины термоЭДС от теплового сопротивления. Предложено использовать внутреннее сопротивление источника термоЭДС, образованного двумя соприкасающимися поверхностями, в качестве информативного параметра для контроля слоя теплопроводящей пасты в зазоре корпуса тепловыделяющего электронного компонента и радиатора охлаждения.
В шестой главе представлены результаты практической реализации проведенных исследований. Приведены описания и технические характеристики приборов термоэлектрического контроля, внедренных в реальный сектор экономики.
Выводы по работе делаются в конце каждой главы.
В заключении перечислены основные результаты, полученные в
диссертационной работе.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается
непротиворечивостью полученных в исследовательской части работы результатов с данными других авторов (там, где таковые имеются), совпадением экспериментальных и расчетных значений величины термоЭДС и внутреннего сопротивления, работоспособностью изготовленных систем контроля, результатами лабораторных и натурных испытаний. Результаты испытаний и внедрений разработанных систем контроля приведены в Приложении А.
Работа выполнена с использованием результатов, полученных лично автором, совместно с коллегами - в равном участии, а также при творческом участии автора в постановке задач исследований и разработок.
Автором непосредственно проведено:
• анализ современного состояния исследований и разработок приборов термоэлектрического контроля изделий из металлов;
• исследования электрических характеристик источников термоЭДС;
• исследования электрических характеристик эквивалентного источника термоЭДС, образованного параллельным соединением нескольких источников термоЭДС;
• исследования электрических характеристик источников термоЭДС, образованных пластически деформированными металлами и сплавами;
• исследования электрических характеристик эквивалентного источника термоЭДС при параллельном соединении нескольких источников термоЭДС, образованных пластически деформированными металлами и сплавами;
• исследования электрических характеристик источников термоЭДС,
образующихся при контактном соединении двух проводников;
• исследования электрических характеристик источников термоЭДС,
образующихся при контактном соединении двух поверхностей;
• проведен анализ влияния количества теплопроводящей пасты в зазоре контактирующих поверхностей на величину внутреннего сопротивления источника термоЭДС, образованного этими соприкасающимися поверхностями.
При непосредственном участии автора, в качестве научного руководителя, разработан и изготовлен ряд действующих приборов для неразрушающего контроля металлов и сплавов термоэлектрическим методом.
Большая часть совместных исследований и разработок выполнена в творческом содружестве с сотрудниками отделения электронной инженерии инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности Национального исследовательского Томского политехнического университета.
В диссертации представлены результаты исследования термоэлектрического метода для контроля пластически деформированных металлов и сплавов, металлов и сплавов с близкими значениями термоэлектродвижущей силы, теплового сопротивления зазора между двумя соприкасающимися поверхностями, а также контроль контактного сопротивления в сети электроснабжения без отключения потребителей энергии. В качестве нового информативного параметра был введен параметр «внутреннее сопротивление источника термоЭДС». Представленные результаты расширяют сферу применения термоэлектрического метода на такие области как контроль теплового сопротивления зазора между двумя соприкасающимися поверхностями и контроль контактного сопротивления в сети электроснабжения без отключения потребителей энергии.
Использование нового информативного параметра позволило повысить достоверность контроля металлов и сплавов с близкими термоэлектрическими характеристиками, пластически деформированных металлов и сплавов, а также детектировать количество термоинтерфейса в зазоре двух соприкасающихся поверхностей.
В результате выполнения диссертационной работы были получены новые научные знания, имеющие самостоятельное научное и практическое значение:
• Предложено использовать внутреннее сопротивление источника термоЭДС, образованного двумя разнородными металлами, использоваться в качестве дополнительного информативного параметра при контроле дефектов в металлах и сплавах.
• Предложена методика корректного определения внутреннего сопротивления источника термоЭДС, основанная на учете контактного сопротивления и сопротивления подводящих проводов. Расчет внутреннего сопротивления источника термоЭДС производится путем умножения сопротивления нагрузки на дробь, числитель которой определяется путем вычитания величины термоЭДС при наличии нагрузки и напряжения на контактном сопротивлении и сопротивлении подводящих проводов из величины термоЭДС при отсутствии нагрузки, а знаменатель равен разности величины термоЭДС при наличии нагрузки и напряжения на контактном сопротивлении и сопротивлении подводящих проводов.
• Выявлено отсутствие влияния разницы температур между горячим и холодным спаями источника термоЭДС на его внутреннее сопротивление.
• Выявлено влияние пластической деформации на внутреннее
сопротивление источника термоЭДС, образованного пластически
деформированным металлом или сплавом.
• Внутреннее сопротивление эквивалентного источника термоЭДС, образованного параллельным соединение нескольких источников термоЭДС, равно параллельному соединению внутренних сопротивлений этих источников термоЭДС.
• Предложен способ определения оптимального количества теплопроводящей пасты в зазоре двух соприкасающихся поверхностей для получения минимального теплового сопротивления между ними, основанный на использовании внутреннего сопротивления эквивалентного источника термоЭДС, образованного параллельным соединением нескольких источников термоЭДС.
• Разработана методика детектирования большого контактного сопротивления в сети электроснабжения из некоторого множества контактных соединений, выбранных для контроля, основанная на данных о включенной электроустановке, токе через эту электроустановку и величине термоЭДС до и после включения электроустановки.
• Созданы уникальные термоэлектрические приборы для контроля степени пластической деформации, определения оптимального количества теплопроводящей пасты между двумя соприкасающимися поверхностями для получения минимального теплового сопротивления между ними, детектирования контактного соединения в сети электроснабжения с большим контактным сопротивлением, не имеющие аналогов в мире.
В процессе выполнения исследований была рассмотрена проблематика определения внутреннего сопротивления источника термоЭДС. Был определен диапазон нагрузочного сопротивления, при котором возможно определение внутреннего сопротивления с достаточной точностью.
Совокупность полученных результатов позволила на высоком научнотехническом уровне решить важную техническую задачу по расширению сферы применения термоэлектрического метода для контроля металлов и сплавов.
Использование нового информативного параметра позволило повысить достоверность контроля металлов и сплавов с близкими термоэлектрическими характеристиками, пластически деформированных металлов и сплавов, а также детектировать количество термоинтерфейса в зазоре двух соприкасающихся поверхностей.
В результате выполнения диссертационной работы были получены новые научные знания, имеющие самостоятельное научное и практическое значение:
• Предложено использовать внутреннее сопротивление источника термоЭДС, образованного двумя разнородными металлами, использоваться в качестве дополнительного информативного параметра при контроле дефектов в металлах и сплавах.
• Предложена методика корректного определения внутреннего сопротивления источника термоЭДС, основанная на учете контактного сопротивления и сопротивления подводящих проводов. Расчет внутреннего сопротивления источника термоЭДС производится путем умножения сопротивления нагрузки на дробь, числитель которой определяется путем вычитания величины термоЭДС при наличии нагрузки и напряжения на контактном сопротивлении и сопротивлении подводящих проводов из величины термоЭДС при отсутствии нагрузки, а знаменатель равен разности величины термоЭДС при наличии нагрузки и напряжения на контактном сопротивлении и сопротивлении подводящих проводов.
• Выявлено отсутствие влияния разницы температур между горячим и холодным спаями источника термоЭДС на его внутреннее сопротивление.
• Выявлено влияние пластической деформации на внутреннее
сопротивление источника термоЭДС, образованного пластически
деформированным металлом или сплавом.
• Внутреннее сопротивление эквивалентного источника термоЭДС, образованного параллельным соединение нескольких источников термоЭДС, равно параллельному соединению внутренних сопротивлений этих источников термоЭДС.
• Предложен способ определения оптимального количества теплопроводящей пасты в зазоре двух соприкасающихся поверхностей для получения минимального теплового сопротивления между ними, основанный на использовании внутреннего сопротивления эквивалентного источника термоЭДС, образованного параллельным соединением нескольких источников термоЭДС.
• Разработана методика детектирования большого контактного сопротивления в сети электроснабжения из некоторого множества контактных соединений, выбранных для контроля, основанная на данных о включенной электроустановке, токе через эту электроустановку и величине термоЭДС до и после включения электроустановки.
• Созданы уникальные термоэлектрические приборы для контроля степени пластической деформации, определения оптимального количества теплопроводящей пасты между двумя соприкасающимися поверхностями для получения минимального теплового сопротивления между ними, детектирования контактного соединения в сети электроснабжения с большим контактным сопротивлением, не имеющие аналогов в мире.
В процессе выполнения исследований была рассмотрена проблематика определения внутреннего сопротивления источника термоЭДС. Был определен диапазон нагрузочного сопротивления, при котором возможно определение внутреннего сопротивления с достаточной точностью.
Совокупность полученных результатов позволила на высоком научнотехническом уровне решить важную техническую задачу по расширению сферы применения термоэлектрического метода для контроля металлов и сплавов.
