СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01B7/06 G01N25/18 G01N27/90 

Изобретение относится к технической физике, в частности к измерениям линейных размеров, и может быть использовано для контроля толщины покрытий на неметаллических и металлических без нарушения их целостности.

Известен датчик измерения толщины теплозащитного материала, содержащий оптически связанные друг с другом светопровод, сфетофильтр, фотоприемник и блок регистрации толщины, первый вход которого соединен с фотоприемником, датчик дополнительно содержит оптически связанные друг с другом второй светофильтр, второй фотоприемник, выход которого электрически соединен с вторым входом блока регистрации толщины, а также блок измерения температуры, два входа которого электрически соединены с вторыми выходами обоих фотоприемников, при этом светопровод выполнен в виде пучка гибких световодов, выходные концы которых сгруппированы в два симметричных жгута, оптически связанных с соответствующими светофильтрами, а входные расположены попарно так, что каждая последующая пара световодов смещена относительно предыдущей пары вдоль оси световода на расстоянии, рассчитываемом по предлагаемой формуле (авт. свид. СССР N 1775652, кл. G 01 N 21/88, 1992).

Недостатками известного датчика, реализующего оптический способ определения толщины материала, являются:
1) реализуемый способ определения относится к разрушающим: в измеряемом покрытии необходимо выполнить серию глухих цилиндрических проточек различных диаметров, концентрически входящих друг в друга;
2) число типов материалов измеряемых покрытий весьма ограничено, так как теплофизические свойства этих материалов должны быть близки или совпадать с таковыми для волоконных световодов;
3) недостаточно высокая точность: последняя непосредственно зависит от расстояния (шага) между каждой парой световодов, постоянство которого можно реализовать лишь с ощутимой погрешностью (особенно для хрупких материалов);
4) технологически трудно выполнить серию глухих цилиндрических проточек, указанных в п. 1 при условии, что плоскости уступов строго перпендикулярны оси проточек.

Ближайшим аналогом к изобретению является электромагнитный толщиномер покрытий, содержащий вихретоковый преобразователь, соединенные последовательно генератор и блок обработки сигнала и индикатор, при этом толщиномер снабжен коммутатором, выход которого подключен к блоку обработки сигнала, соединенными последовательно переключателем, подключенным к выходу блока обработки сигнала, и блоком памяти, соединенными последовательно компаратором, один вход которого подключен к блоку обработки сигнала, а другой к блоку памяти, блоком управления, выход которого подключен к компаратору, счетчиком, блоком постоянной памяти, согласующим блоком, выходы которого соединены с входами индикатора, а вихретоковый преобразователь выполнен в виде соосных катушек, подключенных к коммутатору, число которых выбрано из условия, чтобы расстояние между соседними катушками было меньше допустимой абсолютной погрешности, а расстояние между крайними катушками равно диапазону измерения, помимо этого, толщиномер снабжен блоком интерполяции, включенным между выходом компаратора и вторым входом согласующего блока, выполненного в виде сумматора (авт. свид. СССР N 1201743, кл. G 01 N 27/90, 1985).

Недостаткам этого толщиномера, реализующего метод вихревых токов являются:
1) ограниченная область применения из-за невозможности измерения толщины покрытий на неметаллических материалах;
2) невысокая точность:
а) абсолютная погрешность определяется расстоянием между соседними катушками, а минимальная величина его не может быть менее десятых долей миллиметра во избежание взаимоиндуктивности и в силу технических возможностей;
б) сказывается влияние неоднородности электромагнитных свойств (электропроводности и т.д.) металла основания;
в) привносятся ошибки интерполяции опытных данных;
3) сложность аппаратурного оформления.

Задачей изобретения является повышение точности измерения и расширение области применения способа.

Указанный технический результат достигается тем, что осуществляют активное тепловое воздействие на поверхность контролируемого покрытия и применяют калибровочную зависимость, при этом тепловое воздействие выполняют адиабатически, регистрируют изменение температуры поверхности от времени в месте приложения источника тепла, по которой вычисляют значение интеграла температуры поверхности по времени, а толщину покрытия находят по калибровочной зависимости.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

На поверхность контролируемого покрытия устанавливается измерительный зонд, в полости которого расположен линейный источник тепла, а термопары находятся на нижнем торце зонда. Последний плотно прижимается к поверхности контролируемого покрытия своим охранным (теплоизоляционным) кольцом. Благодаря этому сохраняется целостность контролируемого покрытия, а система "поверхность покрытия зонд" теплоизолируется от окружающей среды, адиабатический режим нагрева.

Включается электрический источник тепла, и термопары, вмонтированные в измерительный зонд, замеряют температуру поверхности покрытия через заданные промежутки времени с последующей регистрацией ее вторичным прибором. На основании полученной зависимости температуры поверхности от времени вычисляют интеграл температуры поверхности по времени, а искомую толщину покрытия находят по калибровочной зависимости.

Толщину покрытия твердых материалов можно определить, исходя из результатов обработки экспериментальных термограмм избыточной температуры поверхности контролируемого покрытия, порожденной активным тепловым воздействием. Это можно обосновать следующими физическими соображениями.

В силу различного функционального назначения покрытия и основания, теплофизические свойства (ТФС) их материалов, как правило, отливаются. Определение ТФС твердых материалов без нарушения их целостности можно осуществить на основе обработки параметров экспериментальных термограмм, полученных при активном тепловом воздействии на поверхность исследуемого материала.

Различие ТФС материалов покрытия и основания должно отразиться на параметрах экспериментальной термогрммы системы "покрытие основание". При этом на характер температурного поля (следовательно, и термограммы) будет, очевидно, влиять толщина покрытия. В связи с этим, представляется возможным на основе обработки экспериментальной термограммы системы "покрытие-основание" определить толщину покрытия.

В обоснование предлагаемого способа было проведено 78 экспериментов на двух материалах покрытий масляной краской МА-025 ГОСТ 695-67 и клее ХКС ТУ 6-15-856-79 различной толщины, наносимых на подложки из двух материалов - древесно-волокнистой плиты ДВП и оргстекла.

Сущность экспериментов заключается в следующем.

Образцы указанных материалов размерами 80х80х10 мм покрывали с одной поверхности слоем краски или клея при помощи валика. После необходимой выдержки, требующейся для сушки слоя покрытия, замеряли его толщину посредством микрометра в 5 6 точках покрытия с погрешностью ±0,0005 мм.

Для получения экспериментальной термограммы на поверхность контролируемого образца устанавливался измерительный зонд, содержащий линейный источник тепла и термопары. Зонд позволял осуществить адиабатическое тепловое воздействие на поверхность контролируемого материала и измерить значения температуры этой поверхности во времени, что регистрировалось вторичным прибором. При измерении сохранение целостности материала обеспечивалось тем, что линейный источник тепла располагался в полости измерительного зонда, а термопары находились на нижнем торце зонда; последний поджимался к поверхности контролируемого материала определенным усилием, сообщаемым грузом или пружиной.

Адиабатическое воздействие теплового источника на поверхность контролируемого материала реализовалось посредством охранного (теплоизоляционного) кольца, которое окаймляло источник тепла, обеспечивая направленное движение теплового потока на поверхность контролируемого материала и препятствуя теплообмену в других направлениях.

Результаты опытов для различных толщин покрытий из масляной краски и клея и подложек из ДВП и оргстекла представлены с виде семейства термограмм Т(τ) на фиг. 1, 2. Термограммы являются обобщенными и построены на основании 5 6 термограмм, снятых для каждого значения толщины d покрытия; температура дана в условных единицах. Как видно из фиг. 1 2, термограммы для каждого значения толщины покрытия являются монотонными кривыми. Чем меньше d тем больше значения температур, соответственно больше площадь, ограниченная кривой Т(t) и осью абсцисс t Для d 0 площадь, ометаемая термограммой, является максимальной.

Исходя из этого, в качестве параметра, чувствительного к величине d выбираем площадь экспериментальной термограммы, определяемую значением интеграла температуры поверхности по времени:

где τ_к конечное время записи термограммы, с.

Значение I рассчитываем способом численного интегрирования, например, по формуле прямоугольников:
I=Δτ(T_o+T₁+T₂+ ... +T_к), (1)
где Δτ шаг интегрирования;
n число шагов по времени; T₀', T₁, T₂,T_к значения температур (ординат) при соответствующих моментах времени.

Для обобщения результатов опытов целесообразно перейти от аргумента I к безразмерной переменной. В качестве последней примем отношение: ///6
где I₀, I значения интеграла, вычисленные по формуле (1) соответственно для δ=0, и δ≠0.
Как отмечалось, I₀>I, поэтому значение всегда положительно. Графики зависимости δ = f(ΔI/I_o) приведены на фиг. 4 3 соответственно для подложки из материалов ДВП и оргстекла. Там же даны соответствующие аналитические выражения δ=f(ΔI/I_o)
Таким образом, для определения искомой толщины покрытия достаточно снять экспериментальную термограмму поверхности покрытия, найти значение I по формуле (1),затем, имея для данного материала подложки значение I₀, определить величину аргумента ΔI/I_o по формуле (2) и, войдя с этим значением аргумента в калибровочный график δ = f(ΔI/I_o) найти толщину покрытия. Кроме того, последнюю можно получить из соответствующего аналитического выражения δ=f(ΔI/I_o) Точность определения величины данным способом находится в пределах 1 2% по сравнению со значениями, измеренными посредством микрометра, имеющего погрешность ±0,0005 мм.

По сравнению с ближайшим аналогом способом согласно изобретению:
1) имеет повышенную точность из-за исключения:
а) необходимости в катушках индуктивности, следовательно, избавление от абсолютной погрешности, определяемой расстоянием между соседними катушками;
б) влияние неоднородности электромагнитных свойств металла основания;
в) ошибок интерполяции опытных данных;
2) расширяет область применения, так как представляется возможность измерить толщину покрытия как на металлических, так и неметаллических материалах;
3) упрощает аппаратурное оформление.

Технико-экономическая эффективность способа вытекает из повышения точности измерения и расширения области применения.

Сущность изобретения: для определения толщины покрытия осуществляют активное тепловое адиабатическое воздействие на поверхность контролируемого покрытия, регулируют изменение температуры поверхности от времени в месте приложения источника тепла, по которой вычисляют значение интеграла температуры поверхности по времени, а толщину покрытия находят по калибровочной зависимости. 4 ил.

Способ определения толщины покрытия, заключающийся в том, что осуществляют воздействие на поверхность контролируемого покрытия и вычисляют толщину покрытия по калибровочной зависимости, отличающийся тем, что на поверхность контролируемого покрытия адиабатически осуществляют тепловое воздействие, регистрируют изменение температуры поверхности покрытия от времени в месте приложения источника тепла, по которой вычисляют значение интеграла температуры поверхности покрытия по времени, при этом используют калибровочную зависимость толщины покрытия от интеграла температуры поверхности покрытия по времени.