Современные тренды применения термоэлектрического метода в неразрушающем контроле (обзор)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Проведен обзор основных направлений использования термоэлектрического метода контроля в различных сферах народного хозяйства. Наиболее широко он применяется в промышленности. Имеются публикации по применению этого метода для контроля качества токарной обработки и сварки металлов методом трения с перемешиванием. Показано, что термоэлектрический метод позволяет повысить достоверность контроля и на основе данных контроля обеспечивать оптимальные режимы технологического процесса металлообработки и сварки. Ряд работ посвящен применению термоэлектрического метода для контроля пластической деформации, выявлена зависимость термоЭДС от степени пластической деформации. В последнее время появились публикации по применению термоэлектрического метода для контроля теплового сопротивления конструкции «корпус силового полупроводникового прибора—термоинтерфейс—радиатор охлаждения». Такая конструкция очень широко распространена в радиоэлектронной аппаратуре. Кроме того, имеются работы по использованию термоэлектрического метода для контроля переходного сопротивления контактов в сети электроснабжения. Показано, что с увеличением контактного сопротивления пропорционально увеличивается величина термоЭДС, что можно использовать для предотвращения аварийных ситуаций в сети электроснабжения. Термоэлектрический метод успешно применен и для диагностики степени наводораживания титана. Выявлена зависимость величины термоЭДС от степени наводораживания. Использование термоэлектрического метода не ограничивается сферой промышленного производства, он успешно применяется в медицине для безметочного обнаружения последовательностей нуклеиновых кислот, для температурной диагностики состояния зубов человека, а также для диагностики воспалительных процессов в организме человека.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. И. Солдатов

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: asoldafof@tpu.ru
Россия, 634050 Томск, ул. Ленина, 30

А. А. Солдатов

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Email: soldatov_aa@tpu.ru
Россия, 634050 Томск, ул. Ленина, 30

М. А. Костина

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Email: kostina_ma@tpu.ru
Россия, 634050 Томск, ул. Ленина, 30

Список литературы

  1. Carreon H. Thermoelectric detection of spherical tin inclusions in copper by magnetic sensing // Journal of Applied Physics. 2000. V. 88. Is. 11. P. 6495. doi: 10.1063/1.1322591
  2. Carreon H. Thermoelectric Nondestructive Evaluation of Residual Stress in Shot-Peened Metals // Research in Nondestructive Evaluation. 2002. V. 14. Is. 2. P. 59. doi: 10.1080/09349840209409705
  3. Nagy P.B. Non-destructive methods for materials' state awareness monitoring // Insight: Non-Destructive Testing and Condition Monitoring. 2010. V. 52. Is. 2. P. 61. doi: 10.1784/insi.2010.52.2.61
  4. Soldatov A.A., Seleznev A.I., Fiks I.I., Soldatov A.I., Kröning Kh.M. Nondestructive proximate testing of plastic deformations by differential thermal EMF measurements // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2012. V. 48. Is. 3. P. 184—186. doi: 10.1134/S1061830912030060
  5. Li J.F., Liu W.S., Zhao L.D., Zhou M. High-performance nanostructured thermoelectric materials // Npg Asia Mater. 2010. V. 2. Is. 4. P. 152. doi: 10.1038/asiamat.2010.138
  6. Kikuchi M. Dental alloy sorting by the thermoelectric method // European Journal of Dentistry. 2010. V. 4. No. 1. P. 66—70.
  7. Cooper R.F. Sorting mixed metals by the thermoelectric effect // Physics Education. 1976. V. 11. Is. 4. P. 290—292. doi.org/10.1088/0031-9120/11/4/004
  8. Stuart C.M. The Seebeck effect as used for the nondestructive evaluation of metals // Int. Adv. Nondestr. Test. 1983. V. 9.
  9. Stuart C. Thermoelectric Differences Used for Metal Sorting // Journal of Testing and Evaluation. 1987. V. 15. No. 4. P. 224—230. doi.org/10.1520/JTE11013J. ISSN 0090-3973
  10. Dragunov V.K., Goncharov A.L. New approaches to the rational manufacturing of combined constructions by EBW // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2019. V. 681. P. 012010. doi: 10.1088/1757-899X/681/1/012010
  11. Goncharov A., Sliva A., Kharitonov I., Chulkova A., Terentyev E. Research of thermoelectric effects and their influence on electron beam in the process of welding of dissimilar steels // IOP Conference Series Materials Science and Engineering. February 2020. V. 759 (1). P. 012008. doi: 10.1088/1757-899X/759/1/012008
  12. Kharitonov I.A., Rodyakina R.V., Goncharov A.L. Investigation of magnetic properties of various structural classes steels in weak magnetic fields characteristic for generation of thermoelectric currents in electron beam welding // Solid State Phenomena. 2020. V. 299. P. 1201—1207.
  13. Soldatov A.I., Soldatov A.A., Kostina M.A., Kozhemyak O.A. Experimental studies of thermoelectric characteristics of plastically deformed steels ST3, 08KP and 12H18N10T // Key Engineering Materials. 2016. V. 685. P. 310—314.
  14. Soldatov A.I., Soldatov A.A., Sorokin P.V., Abouellail A.A., Obach I.I., Bortalevich V.Y., Shinyakov Y.A., Sukhorukov M.P. An experimental setup for studying electric characteristics of thermocouples // SIBCON 2017 — Proceedings. 2017. P. 79985342017.
  15. Fulton J.P., Wincheski B., Namkung M. Automated weld characterization using the thermoelectric method // Materials Science. August 1993. ID: 262902.
  16. Carreon H., Medina A. Nondestructive characterization of the level of plastic deformation by thermoelectric power measurements in cold-rolled Ti–6Al–4V samples // Materials Science, Nondestructive Testing and Evaluation. 2007. Corpus ID: 136854526. doi: 10.1080/10589750701546960
  17. Carreon H. Detection of fretting damage in aerospace materials by thermoelectric means // Smart Structures, Engineering, Physics. 16 April 2013. Corpus ID: 123131770. doi: 10.1117/12.2009448
  18. Lakshminarayan B., Carreon H., Nagy P. Monitoring of the Level of Residual Stress in Surface Treated Specimens by a Noncontacting Thermoelectric Technique // Materials Science. 9 April 2003. Corpus ID: 135856050. doi: 10.1063/1.1570311
  19. Carreon H. Thermoelectric detection of fretting damage in aerospace materials // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2014. V. 11. Corpus ID: 137248032. doi: 10.1134/S1061830914110102
  20. Carreon H. Evaluation of Thermoelectric Methods for the Detection of Fretting Damage in 7075‒T6 and Ti‒6A1‒4V Alloys // Materials Science. 2015. V. 2. Corpus ID: 137547354. doi: 10.1007/978-3-319-48191-3_53
  21. Hu J., Nagy P.B. On the Thermoelectric Effect of Interface Imperfections // Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation. 1999. V. 188. P. 1487—1494. doi.org/10.1007/978-1-4615-4791-4_191
  22. Goncharov A.L. Investigation of the thermal electromotive force of steels and alloys of different structural grades in electron beam welding // Welding International. 2011. V. 25. Is. 9. P. 703—709.
  23. Goncharov A.L., Chulkova A.V., Rodyakina R.V., Dragunov V.K., Chulkov I.S. Investigation of thermo-EMF temperature dependences for construction materials of various structural classes // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2019. V. 681. P. 012017. doi: 10.1088/1757-899X/681/1/012017
  24. Корндорф С.Ф., Мельник Е.Е. Термоэлектрический метод диагностики режущего инструмента // Контроль. Диагностика. 2003. № 1. С. 44—46.
  25. Magalhães Ana, De Backer Jeroen, Bolmsjö Gunnar. Thermal Dissipation Effect on Temperature-controlled Friction Stir Welding // Soldagem & Inspeção. 2019. V. 24. P. e2428. https://doi.org/10.1590/0104-9224/SI24.28
  26. Silva Ana C.F., De Backer J., Bolmsjö G. TWT method for temperature measurement during FSW process / The 4th international conference on scientific and technical advances on friction stir welding & processing — FSWP16” in San Sebastian, Spain, 1-2 October 2015. P. 95—98.
  27. De Backer J., Bolmsjö G., Christiansson A.-K. Temperature control of robotic friction stir welding using the thermoelectric effect // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014. V. 70. P. 375—383.
  28. Silva Ana C.F., De Backer J., Bolmsjö G. Cooling rate effect on temperature controlled FSW process / IIW International Conference High-Strength Materials — Challenges and Applications, Helsinki, Finland, 2-3 July 2015.
  29. Silva Ana C.F., De Backer J., Bolmsjö G. Analysis of plunge and dwell parameters of robotic FSW using TWT temperature feedback control // 11th International Symposium on FSW — 11ISFSW, Cambridge, UK, 17-19 May 2016.
  30. De Backer J., Bolmsjö G. Thermoelectric method for temperature measurement in friction stir welding // Science and Technology of Welding and Joining. 2013. V. 18.
  31. Silva Ana C.F., De Backer J., Bolmsjö G. Temperature measurements during friction stir welding // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2017. V. 88. P. 2899—2908. doi: 10.1007/s00170-016-9007-4
  32. Beguiristain Aldanondo, Mendizabal Arruti, Zubiria Echeverría. System for measuring temperatures generated during the friction stir welding process / Patent EP 3 725 451 A1. Application number: 17842322.4. 21.10.2020. Bulletin 2020/43.
  33. Плотников А.Л., Тихонова Ж.С., Еплов П.Е., Павлов А.С. Физические основы использования величины термоэ.д.с. естественной термопары для оперативной оценки свойств контактных пар «быстрорежущий инструмент — стальная заготовка» // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2017. № 12 (207). С. 79—83.
  34. Плотников А.Л., Кристаль М.Г., Сергеев А.С., Тихонова Ж.С., Уварова Т.В. Устройство для измерения температуры резца естественной термопарой / Патент на изобретение RU 2650827 C1. 17.04.2018.
  35. Chigirinskiy Y., Tikhonova Z., Kraynev D. Method for assessing the thermophysical properties of the contact pair «tool — steel workpiece» // Journal of Physics: Conference Series. "Intelligent Information Technology and Mathematical Modeling 2021, IITMM 2021— Mathematical Modeling and Computational Methods in Problems of Electromagnetism, Electronics and Physics of Welding". 2021. С. 052012.
  36. Tikhonova Z., Kraynev D., Frolov E., Bondarev A., Kozhevnikova A. The ThermoEMF as a Tool for Increasing the Autonomy of Technological Machines // Communications in Computer and Information Science. 2023. 1909 CCIS. P. 143—154.
  37. Tikhonova Z., Kraynev D., Frolov E. Thermo-Emf as Method for Testing Properties of Replaceable Contact Pairs // Lecture Notes in Mechanical Engineering. 2020. P. 1097—1105.
  38. Tikhonova Z., Kraiynev D., Frolov E. Efficiency improvement for assigning of cutting conditions on the basis of the thermo-EMF signal // MATEC Web of Conferences. 2018. V. 224. P. 0106.
  39. Sergeev A.S., Tikhonova Z.S., Uvarova T.V. Method for measuring thermo-emf of a «tool-workpiece» natural thermocouple in chip forming machining // MATEC Web of Conferences. 2017. P. 01044.
  40. Плотников А.Л., Сергеев А.С., Тихонова Ж.С. Особенности использования сигнала эдс резания в условиях автоматизированного станочного производства // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2016. № 6 (60). С. 21—28.
  41. Абоуеллаиль A., Чан Ц., Солдатов А.И., Солдатов А.A., Костина M.A., Борталевич С.И., Солдатов Д.A. Characterization of the influence of destabilizing factors ontest results of thermoelectric inspection // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2022. V. 58. Is. 3. P. 607—616.
  42. Soldatov A.I., Soldatov A.A., Sorokin P.V., Abouellail A.A., Kozhemyak O.A., Loginov E.L., Bortalevich S.I. Control system for device thermotest / В сб. 2016 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2016 — Proceedings. 2016. P. 7491869.
  43. Сорокин П.В., Солдатов А.А., Солдатова М.А. Программно-аппаратный комплекс для исследования переходного процесса при экспресс-контроле методом термоэдс // Контроль. Диагностика. 2013. № 13. С. 22—25.
  44. Абуллаель А.А., Солдатов Д.А., Солдатов А.А. Анализ электрических характеристик датчика термоэлектрического дефектоскопа / Сборник материалов Всероссийской научно-методической конференции Современные технологии, экономика и образование. 2019. С. 17—19.
  45. Milićević I., Popović M., Dučić N., Slavković R., Dragićević S., Maričić A. Experimental Identification of the Degree of Deformation of a Wire Subjected to Bending // Science of Sintering. 2018. V. 50. P. 183—191. DOI: https://doi.org/10.2298/SOS1802183M
  46. Soldatov A.I., Soldatov A.A., Sorokin P.V., Abouellail A.A., Kostina M.A. Thermoelectric method of plastic deformation detection // Materials Science Forum. 2018. V. 938. P. 112—118.
  47. Vasiliev I., Soldatov A., Abouellail A., Soldatov D., Bortalevich S. Thermoelectric Quality Control of the Application of Heat-Conducting Compound // Studies in Systems, Decision and Control. 2021. V. 351. P. 59—68.
  48. Солдатов А.А., Дементьев А.А., Солдатов А.И., Васильев И.М. Контроль качества нанесения теплопроводящего компаунда // Дефектоскопия. 2020. № 3. С. 65—71.
  49. Васильев И.М., Дементьев А.А., Солдатов А.А., Солдатов А.И. Термоэлектрический метод контроля качества нанесения теплопроводящего компаунда // Дефектоскопия. 2020. № 5. С. 28—34.
  50. Солдатов А.И., Солдатов А.А., Васильев И.М., Шульгина Ю.В., Костина М.А., Сорокин П.В. Способ измерения теплового сопротивления между корпусом полупроводникового прибора и радиатором охлаждения / Патент на изобретение RU 2686859 C1. 06.05.2019.
  51. Vasiliev I.M., Soldatov A.I., Dementiev A.A., Soldatov A.A., Abouellaill A. Automatic device for testing thermal resistance with thermoelectric effect / В сб. Journal of Physics: Conference Series. International Conference "Actual Trends in Radiophysics". 2020. P. 012047.
  52. U.S. Fare Statictics. Available at: https://www.usfa.fema.gov/data/statistics/#causesR/, free. (Accessed: December 16, 2021).
  53. Чечетина Т.А., Гончаренко В.С., Сибирко В.И., Загуменнова М.В. Обстановка с пожарами в российской федерации в 2021 году // Пожарная безопасность. 2022. № 1 (106). С. 98—115.
  54. Титков В.В., Бекбаев А.Б., Сарсенбаев Е.А. О возможностях мониторинга нестационарных тепловых процессов в контактах силовых электроустановок // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2017. Т. 23. № 1. С. 168—178.
  55. Чалый А.М., Дмитриев В.А., Павлейно М.А., Павлейно О.М. Нагрев сильноточных электрических контактов ударными токами короткого замыкания // Электронная обработка материалов. 2013. № 49 (5). С. 81—88.
  56. Троицкий О.А., Сташенко В.И., Скворцов О.Б. Вибрации проводников при пропускании импульсного электрического тока и неразрушающий контроль // Инженерный журнал: наука и инновации. Электронное научно-техническое издание. 2018. № 3. doi: 10.18698/2308-6033-2018-3-174
  57. Чупрова Л.В., Ершова О.В., Муллина Э.Р. Химико-технологические аспекты проблемы окисления медных контактов электрооборудования, эксплуатируемого в цехах очистки воды // Молодой ученый. 2013. № 9 (56). С. 77—80.
  58. Apostolakis G., Kazarians M., Bley D.C. Methodology for assessing the risk from cable fires // Nucl. Saf. 1982. V. 23. Is. 4. ID 5329326.
  59. Delplace M., Vos E. Electric short circuits help the investigator determine where the fire started // Fire Technology. 1983. V. 19. Is. 3. P. 185—191.
  60. Wang Zhi, Wang Jian. Comparative thermal decomposition characteristics and fire behaviors of commercial cables // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2020. V. 144. No. 7. P. 1—3. DOI: 10.1007/ s10973-020-10051-z
  61. Lider A.M., Larionov V.V., Syrtanov M.S. Hydrogen concentration measurements at titanium layers by means of thermo-EMF // Key Engineering Materials. 2016. V. 683.
  62. Kudiуarov V.N., Lider A.M., Harchenko S.Y. Hydrogen accumulation in technically pure titanium alloy at saturation from gas atmosphere // Adv. Mater. Res. 2014. V. 880. P. 68—74.
  63. Nestorova Gergana G., Adapa Bindu S., Kopparthy Varun L., Guilbeau Eric J. Lab-on-a-chip thermoelectric DNA biosensor for label-free detection of nucleic acid se-quences // Sensors and Actuators B: Chemical. 31 March 2016. V. 225. P. 174—180.
  64. Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Рагимова Т.А., Меджидов М.Н., Рагимова Т.А. Термоэлектрическое полупроводниковое устройство для контрастной термоодонтометрии / Патент RU №2 624 804, от 03.07.2017.
  65. Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Юсуфов Ш.А., Меджидов М.Н., Казумов Р.Ш. Термоэлектрическое устройство для температурной диагностики и электроодонтометрии состояния зубов / Заявка на изобретение РФ RU №2006 106 008, от 11.09.2006.
  66. Anatychuk L.I., Kobylianskyi R.R., Cherkez R.G., Konstantynovych I.A., Hoshovskyi V.I., Tiument- sev V.A. Thermoelectric device with electronic control unit for diagnostics of inflammatory processes in the human organism // BIOMEDICAL ELECTRONICS, Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature. 2017. № 6. P. 44—48. doi: 10.15222/TKEA2017.6.44
  67. Исмаилов Т.А., Гафуров К.А. Прецизионное измерение температурных параметров тканей и полостей человеческого организма / Восьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Сб. научн. тр. Москва. 2002. Т. 1. С. 228.
  68. Исмаилов Т.А., Гафуров К.А. Применение термоэлектрических устройств для измерения теплопроводности тканей человеческого организма / Третья Российская национальная конференция по теплообмену: Сб. научн. тр. Москва. 2002. С. 225—227.
  69. Гафуров К.А. Термоэлектрические цифровые преобразователи для исследования локальных температурных полей человеческого организма / Дисс. … на соискание ученой степени к.т.н. Махачкала, 2005. 159 с.
  70. Тукмакова А.С., Асач А.В., Макарова Е.С., Тхоржевский И.Л., Демченко П.С., Сединин А.Д., Новотельнова А.В., Каблукова Н.С., Ходзицкий М.К. Перспективы использования наноразмерных слоев термоэлектриков для детектирования излучения терагерцового диапазона элементов / Материалы VII всероссийской НТК Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения. Махачкала, 2020. С. 7—8.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема контроля температуры методом контактной пары инструмент—деталь [28]

Скачать (264KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изменение термоЭДС в процессе сварки [28]

Скачать (335KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Стадии сварки трением с перемешиванием с управлением по температуре (красные стрелки обозначают модернизацию терморегулятора) [28]

Скачать (355KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Электрическая цепь естественной термопары режущий инструмент—заготовка [34]

Скачать (372KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Конструкция датчика: 1 — первый горячий электрод; 2 — нагревательный элемент; 3 — термопары; 4 — второй горячий электрод

Скачать (298KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Прибор термоэлектрического контроля с дифференциальным датчиком «ТЕРМОТЕСТ»: а — блок электроники; б — дифференциальный датчик с эталоном и тестируемым образцом

Скачать (980KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Программный интерфейс

Скачать (881KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость термоЭДС от температуры горячего электрода из меди для различной степени пластической деформации (ε) стальной проволоки диаметром ≈2,8 мм, изготовленной из нержавеющей стали X5CrNi1810 [45]

Скачать (656KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимость термоЭДС от относительной деформации (ε) при температуре 40 °C для проволоки диаметром ≈2,8 мм из стали X5CrNi1810 [45]

Скачать (854KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Зависимость дифференциальной термоЭДС от величины деформации: сплошная линия — ST3; штриховая линия — 08KP; штрихпунктирная линия — 12H18N10T

Скачать (94KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Схематическое изображение объекта исследования (а) и температурно-временной срез распределения тепла в цилиндре (б)

Скачать (425KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Зависимость разницы температур от времени (а) и толщины термопасты (б): 1 — удельная теплопроводность термопасты в 10 раз больше номинальной; 2 — номинальная удельная теплопроводность; 3 — удельная теплопроводность термопасты в 10 раз меньше номинальной

Скачать (153KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Зависимость термоЭДС от толщины слоя термоинтерфейса: а — переходной режим; б — установившийся режим

Скачать (221KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Зависимость разницы температур корпуса силового прибора и радиатора охлаждения от времени, полученные с помощью термопар (а) и с помощью пересчета термоЭДС (б): 1 — без термоинтерфейса; 2 — с частично нанесенным термоинтерфейсом (50 %); 3 — с нанесенным термоинтерфейсом

Скачать (409KB)
Метаданные
16. Рис. 15. Зависимость термоЭДС от относительной площади покрытия корпуса силового элемента термоинтерфейсом

Скачать (104KB)
Метаданные
17. Рис. 16. Зависимость температуры контактной пары от времени, при различных значениях массы при сопротивлении равном 0,1 Ом: — 1 г, 0,2 пикс. — 2 г, 3 г

Скачать (297KB)
Метаданные
18. Рис. 17. Динамика изменения термоЭДС на контактном соединении алюминий—медь при нагреве (среднее значение по 10 измерениям)

Скачать (445KB)
Метаданные
19. Рис. 18. Зависимость величины термоЭДС от координаты положения зонда: 1 — после наводороживания через 5 ч; 2 — 30 ч; 3 — 75 ч; 4 — до наводороживания. Температура зонда равна 62°С [61]

Скачать (111KB)
Метаданные
20. Рис. 19. Конструкция термоэлектрического датчика температуры и теплового потока: 1 — эбонитовая изоляционная оболочка; 2 — медный жидкостный радиатор (15×15×6 мм); 3 — термоэлектрический сенсор (10×10×2,4 мм); 4 — медное основание датчика (thickness 0,3 мм); 5 — датчик температуры медного радиатора T3; 6, 7 — впускной и выпускной патрубки (∅ 4 мм); 8 — датчик температуры медной основы T2; 9 — слой теплопроводящей пасты [64]

Скачать (212KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024