СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗДЕЛИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01B7/06 

Настоящая группа изобретений относится к области измерительной техники и может быть применена в системах оперативного неразрушающего контроля толщины пленочных покрытий изделий, используемых в машиностроительной, авиационной, радиотехнической и других отраслях промышленности.

Известен способ измерения толщины покрытия (а.с. СССР N 1111021, G 01B 7/06, 1984), заключающийся в том, что в заданной точке покрытия измеряют отрывную силу постоянного магнита, помещают между магнитом и покрытием немагнитную прокладку заданной толщины и производят в той же точке дополнительное измерение отрывной силы постоянного магнита от немагнитной прокладки, определяют разность отрывных сил и по ее величине рассчитывают величину слоя никеля, затем по полученной ранее зависимости находят значение отрывной силы магнита, соответствующее той же толщине слоя никеля, но при отсутствии слоя хрома и по разности значений отрывной силы магнита от покрытия без прокладки и с ней определяют толщину слоя хрома.

Недостатком этого способа является невозможность измерения толщины покрытий неметаллических материалов ввиду отсутствия в них магнитных свойств.

Известно устройство для определения толщины покрытия (а. с. СССР N 905621, G 01B 7/08, 1982), основными блоками которого являются индектор, нагреваемый до температуры, превышающей температуру плавления покрытия, и измеритель перемещения индектора.

Недостатком данного устройства является невозможность определения толщины покрытия без нарушения его целостности.

Известен способ неразрушающего контроля толщины пленочных покрытий изделий (а.с. СССР N 1663428, G 01B 7/06, 1991), состоящий в подводе теплоты к поверхности исследуемого изделия от плоскости источника прямоугольной формы до нанесения покрытия и после, измерении установившихся избыточных температур в первом и втором эксперименте в центре контактной поверхности источника, определении разности измеренных температур и расчете искомой толщины по формуле.

Недостатками этого способа являются невысокая точность и низкая помехозащищенность, так как измерительная информация в ходе эксперимента снимается в аналоговой форме, на значение которой оказывает влияние погрешность, обусловленная неточностью задания и поддержания на нужном уровне теплового режима, погрешность от изменения начальной температуры исследуемых объектов от изделия к изделию, погрешность температурно-временных дрейфов, смещения точек отсчета, различного рода флуктуаций, случайных помех и т.д. Кроме того, недостатком способа является и то, что при непрерывном подводе тепла постоянной мощности система может выйти на установившуюся температуру, величина которой превышает температуру термодеструкции материала покрытия, в результате чего последний разрушается (плавится, горит и т.д.).

Известно устройство неразрушающего контроля толщины пленочного покрытия изделий (а. с. СССР N 1420351, G 01 B 7/06, 1988), содержащее два сосредоточенных источника тепла и два термоприемника, смещенные от источников на одинаковые расстояния, причем оптические оси первой пары этих источников и термоприемников направлены на поверхность контролируемого изделия и сфокусированы на ней, а второй пары направлены на поверхность эталонного образца в виде барабана, на поверхности которого нанесено пленочное покрытие толщиной, линейно возрастающей в диапазоне исследуемых толщин покрытий, выходы термоприемников через усилители подключены к сравнивающему устройству, выход которого соединен с блоком управления реверсивного двигателя. Устройство содержит, кроме того, привод, платформы, регистрирующий прибор.

Недостатком данного устройства является эталонирование, которое увеличивает время теплофизического эксперимента, а также обуславливает дополнительную погрешность в результатах измерения за счет разности температур между контрольным изделием и эталоном, уменьшает оперативность измерений из-за необходимости после каждого эксперимента термостатировать (охлаждать) эталонный барабан. Кроме того, недостатком этого устройства является невысокая точность и помехозащищенность, так как все блоки устройства преобразуют измерительную информацию в аналоговой форме, искаженной температурно-временными дрейфами, флуктуациями, помехами и т.д.

За прототип принят способ неразрушающего контроля толщины защитных покрытий (см. а. с. СССР N 1725071, G 01B 7/06, 21/08, 1992 г.), состоящий в тепловом воздействии одиночным тепловым импульсом заданной мощности на поверхность изделия источником прямоугольной формы, приведенным в контакт с поверхностью изделия и теплоизолированным от окружающей среды, определении времени релаксации температурного поля в точке контроля температуры от действия теплового импульса и расчете начальной минимальной частоты подачи импульсов от источника, воздействии от источника импульсами, частота которых адаптивно изменяется в зависимости от разности контролируемой избыточной температуры и наперед заданными двумя значениями, определении частот следования тепловых импульсов, при которых контролируемая избыточная температура равна двум заданным значениям, и расчете искомой толщины по соответствующей формуле.

Недостатком способа-прототипа является длительное время проведения теплофизического эксперимента, обусловленное необходимостью двойного эксперимента в начале на изделии без покрытия, а затем с покрытием, а также большим интервалом времени выхода тепловой системы на заданный тепловой режим, так как в силу большой чувствительности термограммы от изменения частоты следования импульсов и большой инерционности тепловых объектов динамика термограммы, как правило, имеет колебательный характер, медленно затухающий около заданного значения температуры, что тоже увеличивает время выхода тепловой системы на заданный температурный режим. Кроме того, недостатком способа-прототипа является большая погрешность определения искомой толщины защитных покрытий из-за влияния неучтенных тепловых потерь, величина которых пропорциональна длительности теплофизического эксперимента.

За прототип принято устройство неразрушающего контроля толщины защитных покрытий (см. а.с. СССР N 1725071, G 01B 7/06, 1992 г.), содержащее источник тепловой энергии прямоугольной формы, размещенный на поверхности изделия, стабилизированный источник питания, термоприемник, размещенный в центре источника тепловой энергии, выход термоприемника соединен с входом усилителя постоянного тока, компаратор и формирователь управляющих сигналов, четыре электронных ключа, блок вычитания, аналого-цифровой преобразователь, первый и второй управляемые двигатели частоты, регистратор временных интервалов, блок определения максимума, источник опорных напряжений, вычислительный блок, индикатор и генератор тактовых импульсов, выход усилителя постоянного тока подключен к информационным входам первого и второго электронных ключей и блока определения максимума, выход которого соединен с управляющим входом третьего электронного ключа, выходы первого-третьего электронных ключей соединены соответственно с первым входом блока вычитания и первым и вторым входами компаратора, выходы которых подключены к информационным входам соответственно аналого-цифрового преобразователя и регистратора временных интервалов, первый выход формирователя управляющих сигналов соединен с управляющими входами первого и второго электронных ключей и блока определения максимума, второй выход формирователя управляющих сигналов подключен к входу стабилизированного источника питания, выход которого соединен с информационным входом четвертого электронного ключа, выход формирователя управляющих сигналов соединен с входом генератора тактовых импульсов, выход которого подключен к счетным входам управляемых делителей частоты и тактовому входу вычислительного блока, первые информационные входы которого являются установочными входами устройства, первые и вторые выходы вычислительного блока соединены с управляющими выходами соответственно первого и второго управляющих делителей частоты, выходы которых подключены к управляющим входам соответственно аналого-цифрового преобразователя и четвертого электронного ключа, выходы аналого-цифрового преобразователя соединены с вторыми информационными входами вычислительного блока, четвертый выход формирователя управляющих сигналов подключен к входу источника опорных напряжений, первый и второй выходы соединены соответственно с вторым входом блока вычитания и информационным входом третьего электронного ключа, пятый выход формирователя управляющих сигналов подключен к управляющему входу регистратора временных интервалов, выходы которого соединены с третьими информационными входами вычислительного блока, третьи выходы которого соединены с входами индикатора.

Недостатком устройства-прототипа является ограниченность функциональных возможностей, обусловленная тем, что оно не позволяет адаптивно изменять мощность тепловых импульсов при выведении исследуемого объекта на заданный температурный уровень, что существенно увеличивает время теплофизического эксперимента и, как следствие, увеличивает погрешность искомой толщины покрытий.

Технической задачей предложенной группы изобретений является повышение оперативности измерений и точности определения искомой толщины защитных покрытий.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе неразрушающего контроля толщины защитных покрытий изделий, состоящем в тепловом воздействии одиночным тепловым импульсом, заданной мощностью q₀ на поверхность изделия источником тепловой энергии, приведенным в контакт с поверхностью изделия и теплоизолированным от внешней среды, определении времени релаксации температурного поля в точке контроля температуры от действия теплового импульса и расчете начальной минимальной частоты подачи тепловых импульсов от источника, тепловом воздействии от источника импульсами, частота которых адаптивно изменяется в зависимости от разности контролируемой избыточной температуры и наперед заданными двумя значениями, определении частот следования тепловых импульсов, при которых контролируемая температура в контролируемой точке поверхности изделия станет равной двум наперед заданным значениям, тепловое воздействие в плоскости контакта изделия теплоизолятора осуществляют от линейного источника тепла и при достижении температуры в точке контроля, расположенной на фиксированном расстоянии от линии действия источника, первого заданного значения, не меняя частоты следования тепловых импульсов F_x1, увеличивают мощность тепловых импульсов, начиная с начальной q₀, в соответствии с зависимостью

где ΔT(τ) = T_зад.2-T(τ) разность между вторым наперед заданным значением и текущим значением контролируемой температуры;
ΔT_i=T_зад.2-T(τ_i) разность между заданной и текущей температурой в моменты времени, определяемые соотношением
τ_min минимальный интервал времени определения разности ΔT_i;
K₁ K₄ коэффициенты пропорциональности, значения которых определяются экспериментально на эталонных изделиях;
и определяют такую мощность Q_x1, при которой контролируемая избыточная температура станет равной второму заданному значению Т_зад.2, большему на фиксированную величину первого заданного значения, затем, определив частоту F_x2 следования тепловых импульсов мощностью Q_x1, при которой контролируемая температура станет равной третьему заданному значению, начинают увеличивать мощность тепловых импульсов в соответствии с указанной зависимостью, не меняя при этом частоты их следования, и определяют такую мощность импульсов Q_x2, при которой температура в точке контроля будет равна четвертому заданному значению Т_зад.4, отличающемуся от третьего значения на небольшую заданную величину, определяют время релаксации температурного поля в точке контроля при воздействии одиночными импульсами соответственно мощности Q_х1 и Q_х2, а искомую толщину защитного покрытия определяют по формуле

где x₁ расстояние от линии действия источника тепла до точки контроля температуры [м] F_x1 и Q_x1 частота и мощность тепловых импульсов, при которых значение контролируемой избыточной температуры равно соответственно заданному значению Т_зад.2 [Гц; Дж/м] λ_п, λ_и - соответственно коэффициенты теплопроводности защитного покрытия и материала изделия, на которое оно нанесено [Вт/м•К] h_max максимально возможная глубина прогрева изделия [м] среднеинтегральная по объему температуропроводность исследуемого изделия, определяемая из соотношения

где

τ_рел.1 и τ_рел.2 время релаксации температурного поля в точке контроля при воздействии одиночными импульсами мощности Q_x1 и Q_x2; Q_x2 и F_x2 частота и мощность тепловых импульсов, при которых значение контролируемой температуры равно наперед заданному значению Т_зад.4; E(x) функция целой части числа; в устройстве неразрушающего контроля толщины защитных покрытий изделий, содержащем источник тепловой энергии, размещенный на поверхности изделия, термоприемник, размещенный на поверхности исследуемого изделия на заданном расстоянии от источника, выход термоприемника соединен с входом усилителя постоянного тока, выход которого через первый электронный ключ подключен к вычитающему устройству, а выход вычитающего устройства подключен к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход последнего соединен с выходом первого управляемого делителя частоты, первый вход которого подключен к генератору тактовых импульсов, а второй вход соединен с микропроцессором; устройство содержит также второй управляемый делитель частоты, управляющий вход которого подключен к микропроцессору, а счетный вход соединен с генератором тактовых импульсов, стабилизированный источник питания, который через второй электронный ключ соединен с нагревателем, компаратор, первый вход которого через третий электронный ключ соединен с выходом усилителя, а второй вход через четвертый электронный ключ соединен с источником опорных напряжений, формирователь управляющих сигналов, который подключен к источнику опорных напряжений, источнику стабилизированного питания, генератору тактовых импульсов, четырем электронным ключам, через устройство ввода-вывода к микропроцессору, дифференцирующему устройству, причем вход последнего соединен с выходом усилителя, кроме того, устройство содержит индикаторное устройство, соединенное с микропроцессором, к которому подключен также генератор тактовых импульсов, и в него дополнительно введены пятый электронный ключ, счетчик импульсов, сдвиговый регистр, логический элемент И, причем управляющий вход пятого электронного ключа соединен с формирователем управляющих сигналов, а информационный вход с генератором тактовых импульсов, выход ключа подключен к счетному входу счетчика, первый управляющий вход которого соединен с выходом компаратора, а второй вход с формирователем управляющих сигналов, информационный выход счетчика подключен к микропроцессору, первый управляющий вход сдвигового регистра соединен с микропроцессором, а второй с выходом второго управляемого делителя частоты, синхронизирующий вход сдвигового регистра через логический элемент И подключен к генератору тактовых импульсов, а выход сдвигового регистра подключен к управляющему входу четвертого электронного ключа и к первому входу логического элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов.

Сущность способа заключается в следующем. На поверхность исследуемого изделия помещают линейный источник тепла, теплоизолируют его от окружающей среды и осуществляют тепловое воздействие одним тепловым импульсом мощностью q₀, которая составляет не более 10-15% от мощности Q_терм., при которой температура на линии действия источника тепла достигает значения температуры термодеструкции материала покрытия, и измеряют время релаксации τ_рел. температурного поля в точке поверхности исследуемого тела (см. фиг.1), расположенной на заданном расстоянии x₁ от линии действия источника тепла. Затем определяют минимальную частоту следования тепловых импульсов в соответствии с зависимостью F_min=K/τ_рел. где K коэффициент, задаваемый в диапазоне от 2 до 5, τ_рел. интервал времени от момента нанесения теплового импульса до момента, когда избыточная температура в точке контроля станет равной порогу чувствительности контрольно-измерительной аппаратуры или на 2-3% выше первоначального значения (см. фиг.1). Осуществляют тепловое воздействие от линейного источника тепла, увеличивая частоту тепловых импульсов в соответствии с законом

где ΔT(τ)=T_зад.1-T(τ) разность между наперед заданным значением Т_зад.1 и текущим значением контролируемой температуры, разность между заданной и текущей температурой в момент времени, который определяется в соответствии с зависимостью где K₁ K₄ коэффициенты пропорциональности, определяемые экспериментальным путем при измерении на эталонных изделиях либо задаваемые соответственно в диапазоне K₁ 1 - 10; K₂ 10 100; K₃ 1 50; K₄ 0,1 1; τ_min - минимальный интервал определения разности ΔT_i (задается от 1 до 10 с); Δτ_к=τ_i-τ_i-1.

Увеличение частоты следования тепловых импульсов в соответствии с законом (1) осуществляют до тех пор, пока установившееся квазистационарное значение температуры в точке контроля достигнет наперед заданного значения Т_зад.1, т. е. ΔT=T_зад.1-T(τ)=0 (см. фиг.2а). Установившееся значение температуры в точке контроля достигается тогда, когда очередной тепловой импульс из серии импульсов, подаваемых линейным источником, изменяет температуру в этой точке на величину, меньшую порога чувствительности ε контрольно-измерительной аппаратуры (ε≅ 0,01^°C) Определяет частоту тепловых импульсов F_x1 (см. фиг. 2б), после чего начинают увеличение мощности тепловых импульсов, начиная с q₀, в соответствии с зависимостью

где ΔT(τ)=T_зад.2-T(τ) разность между вторым заданным значением T_зад.2 и текущим значением контролируемой температуры; ΔT_i=T_зад.1-T(τ) разность между заданной и текущей температурой в моменты времени, определяемые соотношением Значение температуры T_зад.2 берется на 20 30% выше наперед заданного значения T_зад.1. Увеличение мощности тепловых импульсов в соответствии с законом (2) осуществляют до тех пор, пока установившееся значение контролируемой температуры достигнет второго заданного значения T_зад.2 (см. фиг. 2а). Определяют при этом мощность тепловых импульсов Q_х1 (см. фиг.2б), а затем начинают снова увеличивать частоту тепловых импульсов в соответствии с зависимостью (1) до тех пор, пока значение контролируемой избыточной температуры достигнет третьего заданного значения T_зад.3, которое на 20 30% меньше четвертого наперед заданного значения T_зад.4. Значение температуры T_зад.4 задается на 20% меньше температуры термодеструкции исследуемых материалов. Определяют при этом частоту импульсов F_х2 (см. фиг.2б), после чего увеличивают мощность тепловых импульсов в соответствии с законом (2) до тех пор, пока контролируемая избыточная температура достигнет четвертого заданного значения T_зад.4. Определяют соответствующую этому состоянию тепловой системы мощность импульсов Q_х2. Определяют время релаксации температурного поля τ_рел.1 и τ_рел.2 в точке контроля при воздействии одиночными импульсами соответственно мощностью Q_х1 и Q_x2 и рассчитывают число импульсов n₁ и n₂, участвующих в формировании температурного поля при двух установившихся состояниях тепловой системы T(τ)тел

= T_зад.2 и T(τ)тек = T_зад.4 При этом а (см. фиг. 4), где E(x) целая часть числа x.

Таким образом, определив значения частоты импульсов F_х1 и их мощности Q_х1, при которых установившееся значение контролируемой температуры равно второму заданному значению T_зад.2, и частоты F_х2 и мощности Q_x2, при которых значение контролируемой избыточной температуры равно четвертому заданному значению T_зад.4, а также определив число импульсов n₁ и n₂, влияющих на формирование суммарной установившейся температуры в контролируемой точке при равенстве ее заданным значениям T_зад.2 и T_зад.4, рассчитывают искомую толщину защитных покрытий исследуемых изделий по формуле, полученной на основании следующих рассуждений.

Процесс распространения тепла на поверхности полуограниченного в тепловом отношении тела при действии линейного импульсного источника тепла описывается выражением вида

где Q количество тепла, выделяемое с единицы длины линейного источника [Дж/м] λ, a коэффициент тепло- и температуропроводности материала изделия [Вт/м•К; м²/с] x расстояние от линии действия источника тепла до точки контроля температуры [м] τ время [с]
При действии нескольких тепловых импульсов на поверхность исследуемого тела температурное поле будет описываться выражением, имеющим вид

где τ_j момент нанесения j-го теплового импульса на поверхность тела [с]
Равенство квазистационарной температуры в точке контроля x₁ наперед заданным значениям T_зад.2 и T_зад.4 при адаптивном изменении частоты тепловых импульсов, а затем их мощности на основании (4) будет выражаться соотношениями


Для решения системы (5)-(6) относительно a и λ воспользуемся разложением в ряд и ввиду быстрой сходимости ряда ограничимся в разложении двумя слагаемыми


Поделив (7) на (8) и произведя ряд простых математических преобразований, получим формулу для расчета среднеинтегрального по объему изделия коэффициента температуропроводности материалов в виде

Для определения среднеинтегральной по объему теплопроводности изделия найденное значение коэффициента подставляем в (5) и получим выражение вида
.

Среднеинтегральный по объему коэффициент теплопроводности при движении теплового потока в изделии от источника тепла к точке контроля температуры в направлении, параллельном плоскости поверхности изделия, определяется выражением

где λ_п коэффициент теплопроводности материала покрытия, m_i=h_i(h₁ + h₂) объемная концентрация i-ой компоненты в анизотропной двухкомпонентной системе, которую представляет собой исследуемое изделие, поверхность которого покрыта защитной пленкой. Поскольку среднеинтегральный коэффициент теплопроводности определяется процентным содержанием покрытия в единице объема изделия, подверженного тепловому воздействию, то m₁ + m₂ 1 и выражение (11) можно представить в виде
.

Поскольку m₁ определяет концентрацию материала покрытия в единице объема изделия, подверженного тепловому воздействию, то значение m₁ пропорционально толщине пленочного покрытия изделия с коэффициентом пропорциональности, численно равным величине обратной глубины прогрева изделия h_max. Тогда из уравнения (12) получим формулу для определения толщины в следующем виде:
.

Используя выражения (9) и (10) после несложных математических преобразований получим следующую формулу для определения искомой толщины защитного покрытия:
.

Входящий в формулу (14) параметр h_max можно определить экспериментально или расчетным путем. В первом случае h_max определяют путем удаления термоприемника от линии действия источника тепла до тех пор, пока значение контролируемой температуры станет равным чувствительности ε контрольно-измерительной аппаратуры. Найденное значение x будет равно искомому параметру h_max. Параметр h_max можно определить и расчетным путем, используя выражение для температурного поля (4).

На фиг. 3 приведена схема устройства, реализующего предложенный способ.

Устройство состоит из линейного источника тепловой энергии 1, помещенного на поверхность исследуемого изделия 2, термоприемника 3, расположенного на поверхности исследуемого изделия на заданном расстоянии x₁ от линии источника тепла (обычно x₁ 2 5 мм в зависимости от класса исследуемых изделий) и подключенного к усилителю постоянного тока 4, выход которого соединен через первый электронный ключ 5 с первым входом вычитающего устройства 6, выход которого подключен к информационному входу аналого-цифрового преобразователя 7, а управляющий вход последнего соединен с выходом первого управляющего делителя частоты 8, первый вход которого подключен к генератору тактовых импульсов 9, а выход АЦП 7 и второй вход управляемого делителя частоты 8 соединены с микропроцессором 10. Генератор тактовых импульсов соединен также с микропроцессором и со счетным входом второго управляемого делителя частоты 11, управляющий вход которого подключен к микропроцессору 10, а выход к управляющему входу сдвигового регистра 12, информационный вход которого соединен с микропроцессором 10, а синхронизирующий вход через логический элемент И13 с генератором тактовых импульсов 9, причем выход сдвигового регистра 12 соединен с первым входом логического элемента И13 и с первым управляющим входом второго электронного ключа 14, другой вход которого соединен со стабилизированным источником питания 15, а выход с источником тепловой энергии 1, кроме того, второй вход логического элемента И13 соединен с генератором тактовых импульсов 9. Выход усилителя 4, кроме того, через третий электронный ключ 16 соединен с первым входом компаратора 17, второй вход которого через четвертый электронный ключ 18 соединен с источником опорных напряжений 19, вход которого, в свою очередь, подключен к формирователю управляющих сигналов 20, а выход источника опорных напряжений 19 соединен с вторым входом вычитающего устройства 6. Формирователь управляющих сигналов 20 соединен с вторыми управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого электронных ключей 5, 14, 16 и 18, с управляющим входом источника питания 15, с генератором тактовых импульсов 9, со сдвиговым регистром 12, а также с первым управляющим входом счетчика 21, второй управляющий вход которого подключен к выходу компаратора 17, а счетный вход счетчика соединен через пятый электронный ключ 22 с генератором 9.

Информационный выход счетчика 21 подключен к входу микропроцессора 10, а управляющий вход ключа 22 соединен с формирователем управляющих сигналов 20. Управляющий вход электронного ключа 18 соединен с выходом дифференцирующего блока 23, информационный вход которого подключен к выходу усилителя 4, а управляющий вход к формирователю сигналов 20. Последний через устройство ввода-вывода соединен с микропроцессором 10, который, в свою очередь, имеет связь с индикатором 25.

Работа устройства происходит следующим образом. Перед началом измерений по команде формирователя управляющих сигналов 20 устройство приводится в исходное состояние: электронные ключи 5, 14, 18, 22, логический элемент И13 закрыты, ключ 16 открыт, счетчик 21 и сдвиговый регистр 12 "обнулены". Через блок 24 ввода-вывода в микропроцессор вводится программа, включающая подпрограмму расчета начальной частоты подачи тепловых импульсов в соответствии с алгоритмом F_min= k/τ_рел подпрограмму расчета адаптивного изменения частоты тепловых импульсов в соответствии с алгоритмом (1), подпрограмму расчета адаптивного изменения мощности тепловых импульсов (2), подпрограмму расчета искомой толщины защитного покрытия (14). В ячейки оперативной памяти процессора заносятся значения T_задi(i=1 4), q₀, λ_п, λ_и, λ_max. Затем по команде с формирователя управляющих сигналов открывается электронный ключ 16, включается блок дифференцирования термограммы 23, по управляющим выходам микропроцессора 10 в блоке 12 включается число элементов, соответствующее в коде интервалу времени Δτ₁ величина которого задается в соответствии с соотношением q_o= Q/Δτ₁ где Q количество тепла, выделяемое источником тепловой энергии; открывается электронный ключ 22 и импульсы с генератора 9 поступают на суммирующий вход счетчика импульсов 21, а также через логический элемент И13 на счетный вход регистра 12. Дифференцирующий блок 23 при достижении максимума термограммы нагрева (см. фиг. 1) открывает электронный ключ 18, так как в этом случае меняется знак производной, и на второй вход компаратора 17 подается опорное напряжение с источника 19, величина которого соответствует сигналу термоприемника при начальной температуре T₀ или на 2-3% выше T₀. Через интервал времени τ_рел., соответствующий времени релаксации температурного поля в точке контроля температуры в результате действия одного теплового импульса мощностью q₀, на первом входе компаратора термоЭДС станет равной заданному опорному напряжению U₀, компаратор переключится, счетчик 21 блокируется и информация о времени τ_рел. из счетчика переносится в микропроцессор 10. На основе этой информации в процессоре вычисляется минимальная частота нанесения тепловых импульсов и в управляемый делитель 11 из процессора заносится код, в соответствии с которым частота с генератора 9 будет делиться блоком 11 на число N₁=F₀/F_min. Затем по сигналу с формирователя 20 открывается ключ 5 и закрывается ключ 16, с источника опорных напряжений 19 на второй вход вычитающего устройства 6 подается напряжение, пропорциональное заданной температуре T_зад.1. При этом на исследуемое изделие подаются тепловые импульсы с частотой F_min. Сигнал с термоприемника 3, усиленный усилителем 4, поступает на блок вычитания 6, где непрерывно сравнивается с T_зад.1. Разностное значение температуры ΔT(τ) = T_зад.1-T(τ) поступает на аналого-цифровой преобразователь 7. Из процессора в управляемый делитель 8 вводится код N₂, значение которого определяется в соответствии с алгоритмом

на первом шаге N₂= F_o/F₁=F_o•τ_min, где F₁= 1/τ_min Информация ΔT(τ) из АЦП 7 по команде с делителя 8 заносится в оперативную память микропроцессора, где в соответствии с алгоритмом (1) определяется величина, на которую увеличивается частота следования тепловых импульсов, т.е. F_min+ΔF_i а по алгоритму (15) определяется новый интервал опроса τ₂ величина которого в коде заносится в делитель 8. Таким образом, по мере уменьшения ΔT_i увеличивается частота считывания информации с АЦП, а также частота тепловых импульсов. Адаптивное изменение частоты импульсов происходит до тех пор, пока контролируемая температура достигнет первого заданного значения T_зад.1, при этом ΔT(τ)=0. Значение найденной частоты F_x1 при этом заносится в память микропроцессора и из него подается на формирователь управляющих сигналов 20 через блок ввода-вывода команда, по которой на второй вход вычитающего устройства с источника опорных напряжений 19 подается уставка, пропорциональная значению T_зад.2. Разностное значение температуры ΔT(τ)=T_зад.2-T(τ) поступает через АЦП в микропроцессор, где в соответствии с алгоритмом (2) вычисляется приращение мощности импульсов ΔQ₁ и соответственно мощность импульсов на первом шаге Q_имп.1, значение которой в коде заносится в регистр 12. С блока 12 сигнал подается на ключ 14, который подключает стабилизированный источник 15 к нагревателю 1 на интервал времени, за который на исследуемое тело действует тепловой импульс мощностью Q_имп.1. После окончания действия теплового импульса информация о разности температур с АЦП вновь заносится в оперативную память процессора 10, где в соответствии с (2) вычисляется новое значение мощности Q_имп.2, в регистр 12 заносится код, соответствующий значению Q_имп.2, регистр 12 подключает источник 15 к нагревателю 1 на интервал времени Δτ₂ пропорциональному мощности Q_имп.2. По мере уменьшения разности ΔT_i увеличивается частота считывания информации с АЦП в микропроцессор в соответствии с (15), а также плавно увеличивается мощность импульсов до тех пор, пока контролируемая избыточная температура станет равна T_зад.2, т.е. ΔT(τ)=0 Найденное значение мощности тепловых импульсов Q_x1 при этом заносится в память микропроцессора. Далее по команде с формирователя управляющих сигналов подается на вычитающее устройство 6 опорное напряжение, моделирующее значение заданной температуры T_зад.3, определяется разность ΔT= T_зад.3-T(τ) в соответствии с алгоритмом (1) изменяется частота тепловых импульсов до момента равенства T(τ) = T_зад.3 Найденное значение частоты F_x2 заносится в оперативную память микропроцессора, после чего на вычитающий блок 6 подается уставка T_зад.4, изменяется мощность тепловых импульсов в соответствии с алгоритмом (2) и процесс адаптивного изменения мощности осуществляется до тех пор, пока контролируемая избыточная температура будет равна T_зад.4. Найденное значение Q_х2 фиксируется в памяти процессора.

После стабилизации температурного поля в исследуемом изделии по команде с формирователя управляющих сигналов 20 закрываются ключи 5, 14, 18, открывается ключ 16, счетчик 21 и регистр 12 "обнуляется", из микропроцессора в блок сдвигового регистра 12 в коде заносится число, соответствующее значению Q_х1. Затем по команде с блока 20 открывается ключ 22, импульсы с регистра 9 поступают на суммирующий вход счетчика 21, а на исследуемое тело наносится одиночный тепловой импульс мощностью Q_х1. При достижении экстремального значения термограммы нагрева в точке контроля дифференцирующее устройство 23 открывает ключ 18 и на второй вход компаратора 17 подается опорное напряжение с источника 19, величина которого соответствует сигналу при начальной температуре T₀. Через интервал времени τ_рел.1, соответствующий времени релаксации температурного поля (см. фиг. 4), компаратор 17 блокирует счетчик 21 и информация о времени τ_рел.1 из счетчика переносится в оперативную память микропроцессора. Далее процесс измерения аналогично осуществляется и при воздействии на изделие одиночным импульсом Q_х2 и найденное значение τ_рел.2 также записывается в микропроцессор 10. На основе алгоритма n_i= E(τ_рел.1•F_xi), где i=1,2, E(x)- функция целой части числа x, в микропроцессоре рассчитываются значения n₁ и n₂. По алгоритму, построенному в соответствии с формулой (14), определяется искомая толщина h_n, значение которой записывается в оперативную память микропроцессора и может быть по команде оператора на индикаторное устройство 25 в любое время после окончания эксперимента передано.

Недостатком способа-прототипа является длительное время проведения теплофизического эксперимента, обусловленное необходимостью определения частоты тепловых импульсов вначале при проведении эксперимента на изделии без защитного покрытия, потом на изделии с покрытием.

Кроме того, недостатком способа-прототипа является длительное время выхода тепловой системы на заданный тепловой режим, так как в нем управление тепловым воздействием на объект исследования осуществляется только за счет изменения частоты тепловых импульсов. Поскольку изменение этого параметра оказывает очень большое влияние на термограмму нагрева, а исследуемые теплофизические объекты обладают большой тепловой инерцией, то термограмма нагрева при достижении заданного температурного уровня, как правило, проходит его, носит колебательный медленного затухания характер около этого заданного значения температуры, что также увеличивает время выхода тепловой системы на заданный температурный режим.

Предлагаемый способ свободен от этих недостатков, так как, во-первых, искомая толщина определяется за один эксперимент на изделии с защитным покрытием, во-вторых, в заявленном техническом решении тепловая система более плавно и за меньший интервал времени выводится на заданный тепловой режим, так как изменением частоты система оперативно выводится на первый температурный предуровень (T_зад.1), а затем плавно за счет адаптивного изменения мощности тепловых импульсов система выводится на заранее заданный температурный уровень (T_зад.2), на котором и снимается измерительная информация для расчета искомой толщины защитных покрытий. То, что влияние изменения частоты тепловых импульсов на термограмму нагрева изделия значительно выше, чем влияние изменения мощности тепловых импульсов, легко доказать, определив функции влияния на контролируемую избыточную температуру от изменения параметров F и Q в выражении (4) или (5). Так, функция чувствительности от влияния изменения мощности импульсов Q определяется как где T температурное поле в исследуемом объекте, описываемое выражением (4). Функция чувствительности от влияния частоты импульсов F будет равна

Из приведенного очевидно, что STF

> STQ а отсюда следует, что изменение мощности тепловых импульсов оказывает меньшее влияние на изменение избыточной температуры в точке контроля, что обеспечивает плавный и динамичный вывод системы с предуровня на заданный температурный режим.

Таким образом, в заявленном способе предложенная последовательность операций позволяет минимизировать время выхода контролируемой избыточной температуры на заданный уровень, в результате чего значительно увеличивается оперативность теплофизического эксперимента, а следовательно, и оперативность определения искомой толщины защитного покрытия.

Известно, что в теплометрии неучтенные тепловые потери в теплофизическом эксперименте пропорциональны его длительности. Поэтому преимуществом предложенного способа по сравнению с известными техническими решениями является также более высокая точность определения искомой толщины защитных покрытий ввиду малого влияния на результаты измерения неучтенных тепловых потерь из-за большой оперативности эксперимента.

Недостатком устройства-прототипа являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что оно не позволяет адаптивно изменять мощность тепловых импульсов при выведении исследуемого объекта на заданный температурный уровень, а способно изменять только частоту следования импульсов, что существенно увеличивает время теплофизического эксперимента и, как следствие, увеличивает погрешность искомых величин толщины защитных покрытий.

Основным преимуществом предлагаемого устройства является возможность адаптивного выбора мощности тепловых импульсов в процессе эксперимента под заранее заданную температуру нагрева исследуемых изделий, что обеспечивает оптимизацию динамики теплофизического эксперимента по минимуму времени.

Последнее обстоятельство обуславливает также повышение точности измерения искомой толщины защитных покрытий.

Для проверки работоспособности заявляемого технического решения был создан макет устройства, выполненный с применением микропроцессорной серии К580. Измерительный преобразователь устройства выполнен в виде выносного зонда, на контактной поверхности которого закреплены линейный нагреватель в виде нихромовой проволоки ⊘ 0,1 мм и хромель-копелевая микротермопара, электроды которой сварены встык и расположены параллельно линии нагревателя. При проведении эксперимента измерительный зонд прижимается с постоянным усилием к поверхности исследуемого изделия, на нагреватель подаются импульсы, частота и мощность которых адаптивно изменяются в соответствии с алгоритмом, заложенным в процессоре. Был проведен ряд экспериментов, результаты которых представлены в таблице.

Проведенная экспериментальная проверка показала корректность теоретических положений, положенных в основу заявленных технических решений, работоспособности адаптивного способа неразрушающего контроля толщины защитных покрытий и устройства для его реализации.

Таким образом, предлагаемая группа изобретений по сравнению с известными техническими решениями существенно увеличивает оперативность измерения и точность определения искомой толщины покрытия изделий, что позволит широко использовать ее во многих отраслях народного хозяйства, а также в практике теплометрических измерений.

Использование: в системах оперативного неразрушающего контроля толщины пленочных покрытий изделий, используемых в машиностроительной, авиационной и др. отраслях промышленности. Сущность: на изделие с покрытием воздействуют одиночным тепловым импульсом от линейного теплоизолированного источника. Определяют время релаксации температурного поля в точке контроля температуры, расположенной на фиксированном расстоянии от линии действия источника, и рассчитывают начальную частоту подачи тепловых импульсов. Затем воздействуют на изделие импульсами, частота которых адаптивно изменяется в зависимости от разницы контролируемой избыточной температуры и ее заданного значения, меньшего на 20-30^oC температуры термодеструкции. При фиксированной частоте последовательно увеличивают мощность импульсов в соответствии с расчетной зависимостью и определяют значение мощности Q_x1 и Q_x2 тогда, когда температура в контролируемой точке увеличивается до заданных пределов. Затем определяют время релаксации температурного поля в точке контроля при воздействии на изделие одиночными импульсами найденной мощности соответственно Q_x1 и _х2 и, используя эти значения, рассчитывают толщину защитного покрытия. Устройство предназначено для реализации заявленного способа и содержит линейный источник тепловой энергии 1, размещенный на изделии 2, термоприемник 3, усилитель постоянного тока 4, первый электронный ключ 5, вычитающее устройство 6, АЦП 7, управляемый делитель частоты 8, генератор тактовых импульсов 9, микропроцессор 10, второй управляемый делитель частоты 11, сдвиговый регистр 12, логический элемент И 13, второй электронный ключ 14, стабилизированный источник питания 15, третий электронный ключ 16, компаратор 17, четвертый электронный ключ 18, источник опорных напряжений 19, формирователь управляющих сигналов 20, счетчик 21, пятый электронный ключ 22, дифференцирующее устройство 23, устройство ввода-вывода 24, индикатор 25. 2 с.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Способ неразрушающего контроля толщины защитных покрытий, состоящий в тепловом воздействии одиночным тепловым импульсом заданной мощности q₀ на поверхность изделия с покрытием источником тепловой энергии, приведенным в контакт с поверхностью изделия и теплоизолированным от внешней среды, определении времени релаксации температурного поля в точке контроля температуры от действия теплового импульса и расчете начальной минимальной частоты подачи тепловых импульсов от источника, тепловом воздействии от источника импульсами, частота которых адаптивно изменяется в зависимости от разности контролируемой избыточной температуры и наперед заданного значения, меньшего на 20 30% чем температура термодеструкции исследуемого материала, определении частоты следования тепловых импульсов, при которой контролируемая избыточная температура в контролируемой точке поверхности изделия станет равной наперед заданному значению, отличающийся тем, что тепловое воздействие в плосткости контакта изделия и теплоизоляторе осуществляют от линейного источника тепла и по достижении температуры в точке контроля, расположенной на фиксированном расстоянии от линии действия источника, первого заданного значения, не меняя частоты следования тепловых импульсов, увеличивают мощность тепловых импульсов, начиная с начальной в соответствии с зависимостью

где ΔT(τ) = T_зад.2-T(τ) - разность между вторым наперед заданным значением и текущим значением контролируемой температуры;
ΔT_i=T_зад.2-T(τ_i) - разность между заданной и текущей температурой в моменты времени, определяемые соотношением

где Δτ_к = τ_i - τ_i-1;
τ_min - минимальный интервал времени определения разности;
ΔT_i, K₁ ÷ K₄ - коэффициенты пропорциональности, значения которых определяются экспериментально на эталонных изделиях,
и определяют такую мощность Q_х 1, при которой контролируемая избыточная температура станет равной второму заданному значению T_зад.2, большему на фиксированную величину первого заданного значения, затем, определив частоту F_х 2 следования тепловых импульсов мощностью Q_х 1, при которой контролируемая температура станет равной третьему заданному значению, начинают увеличивать мощность тепловых импульсов в соответствии с указанной зависимостью, не меняя при этом частоты их следования, и определяют такую мощность импульсов Q_х 2, при которой температура в точке контроля будет равна четвертому заданному значению T_зад.4, отличающемуся от третьего значения на фиксированную величину, определяют время релаксации температурного поля в точке контроля при воздействии одиночными импульсами соответственно мощностью Q_х 1 и Q_х 2, а искомую толщину защитного покрытия определяют по формуле

где х1 расстояние от линии действия источника тепла до точки контроля температуры, м;
F_х 1, Q_х 1 частота и мощность тепловых импульсов, при которых значение контролируемой избыточной температуры равно соответственно заданному значению T_зад.2, Гц, Дж/м;
λ_п, λ_и - соответственно коэффициенты теплопроводности защитного покрытия и материала изделия, на которое оно нанесено, Вт/мК;
h_m a x максимально возможная глубина прогрева изделия, м;
среднеинтегральная по объему температуропроводность исследуемого изделия, определяемая из соотношения

где где m₁=T_зад.2•Q_x2•F2x2

;
m₂=T_зад.4•Q_x1•F2x1;
n₁= E(τ_рел.1•F_x1);
n₂= E(τ_рел.2•F_x2);
τ_рел.1 и τ_рел.2 - время релаксации температурного поля в точке контроля при воздействии одиночными импульсами мощности Q_х1 и Q_х 2;
F_х 2 и Q_х 2 частота и мощность тепловых импульсов, при которых значение контролируемой температуры равно наперед заданному значению T_зад.4;
Е(х) функция целой части числа. 2. Устройство неразрушающего контроля толщины защитных покрытий изделий, содержащее источник тепловой энергии, размещенный на поверхности изделия, термоприемник, размещенный на поверхности исследуемого изделия на заданном расстоянии от источника, выход термоприемника соединен с входом усилителя постоянного тока, выход которого через первый электронный ключ подключен к первому входу вычитающего устройства, а выход вычитающего устройства подключен к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход последнего соединен с выходом первого управляемого делителя частоты, первый вход которого подключен к генератору тактовых импульсов, в выход АЦП и второй вход управляемого делителя частоты соединены с микропроцессором, устройство содержит также второй управляемый делитель частоты, управляющий вход которого подключен к микропроцессору, а счетный вход соединен с генератором тактовых импульсов, стабилизированный источник питания, который через второй электронный ключ соединен с источником тепловой энергии, компаратор, первый вход которого соединен с выходом третьего электронного ключа, а первый вход последнего подключен к выходу усилителя, а второй вход компаратора через четвертый электронный ключ соединен с выходом источника опорных напряжений, который подключен также к второму входу вычитающего устройства, формирователь управляющих сигналов, который подключен к источнику опорных напряжений, источнику стабилизированного питания, генератору тактовых импульсов, четырем электронным ключам, через устройство ввода-вывода к микропроцессору, дифференцирующему устройству, причем вход последнего соединен с выходом усилителя, кроме того, устройство содержит индикаторное устройство, соединенное с микропроцессором, к которому подключен также генератор тактовых импульсов, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены пятый электронный ключ, счетчик импульсов, сдвиговый регистр, логический элемент И, причем управляющий вход пятого электронного ключа соединен с формирователем управляющих сигналов, а информационный вход с генератором тактовых импульсов, выход ключа подключен к счетному входу счетчика, первый управляющий вход которого соединен с выходом компаратора, а второй вход с формирователем управляющих сигналов, информационный вход счетчика подключен к микропроцессору, первый управляющий вход сдвигового регистра соединен с микропроцессором, а второй с выходом второго управляемого делителя частоты, синхронизирующий вход сдвигового регистра соединен с выходом логического элемента И, второй вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, а выход сдвигового регистра подключен к управляющему входу второго электронного ключа и первому входу логического элемента И.