СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ НЕМАГНИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЯХ Российский патент 1997 года по МПК G01B7/06 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения толщины немагнитных покрытий на ферромагнитных изделиях.

Известен магнитный способ измерения толщины покрытий на ферромагнитных объектах, заключающийся в том, что размещают постоянный магнит на фиксированном расстоянии над контролируемой поверхностью, перемещают магнит к контролируемой поверхности с калиброванной начальной скоростью, измеряют скорость постоянного магнита в момент его касания с поверхностью, и по величине этой скорости определяют результат контроля [1]
Однако данный способ характеризуется низкой точностью измерения, что объясняется совместным влиянием на результат измерения погрешности при задании значений фиксированного расстояния, начальной скорости, фиксации момента касания и измерения скорости магнита в момент его касания с поверхностью. Кроме того, данный способ предельно трудоемок и малопроизводителен.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является магнитный способ измерения толщины немагнитных покрытий на плоских ферромагнитных изделиях, заключающихся в том, что устанавливают на поверхность контролируемого изделия магнит и по силе притяжения магнита, определяемой величиной силы отрыва магнита от поверхности покрытия, судят о толщине покрытия [2]
Недостатком данного способа является невысокая точность, так как о силе притяжения магнита и, следовательно, о толщине покрытия судят только по силе отрыва магнита от поверхности. Однако характер нарастания силы в области момента отрыва носит резко выраженный нелинейный характер, непосредственно момент отрыва характеризуется нестабильностью, случайностью, возможностью затягивания и инерционностью, зависящими от толщины покрытия. Кроме того, способ не может быть использован для осуществления непрерывных измерений.

Изобретение направлено на повышение точности измерения толщины немагнитных покрытий на ферромагнитных изделиях.

Это достигается тем, что в известном магнитном способе измерения толщины немагнитных покрытий на плоских ферромагнитных изделиях, заключающемся в том, что устанавливают на поверхность контролируемого покрытия магнит по силе притяжения магнита судят о толщине покрытия, магнит вводят в контакт с дополнительной механической колебательной системой с заданными параметрами массы и жесткости, возбуждают импульсным воздействием свободные колебания данной системы, измеряют частоту свободных колебаний системы, по которой судят о силе притяжения магнита.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена структурная схема устройства для реализации предложенного способа измерения толщины покрытий.

Устройство для измерения толщины немагнитного покрытия 1 на ферромагнитном изделии 2 содержит немагнитный стержень 3 с укрепленным на его нижнем конце плоским постоянным магнитом 4, установленном на контролируемом изделии. С верхней частью стержня 3 введен в контакт конец немагнитного штока 5 дополнительной механической колебательной системы, состоящей из цилиндрического груза 6 массой m, выполненного в виде намагниченного в осевом направлении постоянного магнита и закрепленного одним концом на винтовой цилиндрической пружине 7 с продольной жесткостью c, прикрепленной основанием ко дну полого немагнитного стакана 8. Груз 6 установлен концентрично в осевых отверстиях катушки возбуждения 9, подключенной к выходу дифференцирующей цепи 10, и катушки измерения 11, подключенной к частотомеру 12, при этом катушки 9, 11 закреплены по их наружному диаметру внутри стакана 8. Соотношение диаметра пружины 7 с ее высотой выполнено достаточным для обеспечения устойчивости продольного перемещения пружины 7 без радиальных смещений. Стакан 8 установлен на переносном штативе 13 с помощью универсального зажима 14.

Способ измерения толщины покрытий с помощью данного устройства осуществляют следующим образом. Устанавливают с помощью зажима 14 стакан 8 на заданной высоте l стержня 3. Перемещением штатива 13 по плоскости контролируемого изделия 2 вводят шток 5 в контакт со стержнем 3 с определенным, заранее заданным усилием поджатия (величину поджатия контролируют по смещению специального указателя на пружине 7 относительно стакана 8, не показанного на рисунке). Замыканием ключа (на рисунке не показан) подают с выхода дифференцирующей цепи 10 в катушку возбуждения 9 электрический импульс, длительность которого значительно меньше периода колебаний механической колебательной системы. За счет взаимодействия импульсного поля с постоянным магнитом 6 возникают свободные колебания груза 6, зажатого между пружиной 7 и стержнем 3. При этом в катушке измерения 11 наводится э.д.с. частоту которой, являющуюся частотой свободных колебаний упруго установленного груза 6, фиксируют частотомером 12. По зафиксированной частоте по графикам, полученным как опытным путем по тарированным образцам, так и расчетным путем, получают истинную толщину немагнитного покрытия.

Принцип предложенного способа основан на зависимости контактной жесткости стыкового соединения балки, образованной стержнем 3 и магнитом 4, с ферромагнитным изделием 2 от продольной силы N, прижимающей балку к изделию, то есть силы магнитного притяжения, и, следовательно, от толщины немагнитного покрытия. В книге [3] вопросы исследования жесткости стыковых соединений освещены довольно подробно, приведены зависимости значений касательной контактной податливости от величины нормального давления в стыке.

Как известно (см. например, [4]), поперечные жесткости и частоты изгибных колебаний консольной балки являются известными функциями как изгибной жесткости балки, так и жесткости ее заделки. В данном случае роль заделки балки выполняет контакт магнита с ферромагнитным изделием 2. Очевидно, что в предложенной схеме механического соединения груз 6 известной массы m дополнительной механической колебательной системы будет упруго подвешен как на пружине 7 с известной жесткостью C, так и на параллельно к ней подключенной консольной балке 3, 4 (при таком соединении продольная жесткость пружины 7 и изгибания жесткость консольной балки 3, 4 при определении эквивалентной жесткости складываются). При этом жесткость балки, как было сказано выше, определяется как изгибной жесткостью самой балки, так и жесткостью контакта магнита 4 с изделием 2, являющейся функцией силы притяжения магнита. Отсюда ясно, что при заданных параметрах дополнительной механической колебательной системы, балки 3, 4 и высоте l до места контакта штока 5 с балкой, эквивалентная жесткость, и, соответственно, собственная частота ω упругой колебательной системы: груз 6 на пружине 7 балка 3, 4 стык магнита 4 с изделием 2 определяется только контактной жесткостью стыка, а следовательно, силой притяжения магнита 4 к изделию 2, то есть толщиной немагнитного покрытия 1.

Авторами аналитически с использованием результатов работ [3, 4] связаны значения зафиксированных собственных частот w с продольными силами N притяжения магнита 4. Сквозь же величин N с измеряемыми толщинами покрытий для различных параметров магнита 4 известна например из книги [2] Кроме того, авторами опытным путем по тарированным образцам с известной толщиной покрытий получены графики, связывающие зафиксированные собственные частоты w непосредственно с контролируемыми толщинами покрытий. При этом, результаты, полученные аналитическим и экспериментальным путями дают достаточно высокую сходимость. По требованию экспертизы авторы готовы представить результаты аналитических и экспериментальных исследований.

В предложенном способе, в отличие от известных, сила притяжения магнита, по которой судят о толщине покрытия, определяется именно в реальных условиях действительно существующего контакта. На величину этой силы здесь не влияют никакие случайные факторы, как, например, на силу отрыва магнита, либо на силу взаимодействия магнита с поверхностью при нахождении их на заданном расстоянии друг от друга. Как уже говорилось выше, эти случайные и скачкообразно меняющиеся факторы, как, например, затягивание момента отрыва, либо вариация величины заданного расстояния между магнитом и поверхностью предельно критичны, то есть их даже минимальное изменение может в гораздо большей степени повлиять на зафиксированную величину силы притяжения, чем значительное изменение толщины покрытия.

Серьезным достоинством предлагаемого способа является получение выходного сигнала в частотной форме, что дает возможность использовать устройство, реализующее предлагаемый способ, как датчик в автоматизированных системах контроля, управления и регулирования.

Источники информации:
1. Авт. св. СССР N 1173167, кл. G 01 B 7/06, опублик. 1985.

2. Валитов А.М. Шилов Г.И. Приборы и методы измерения толщины покрытий, Л. Машиностроение, 1970, с. 8 13 (прототип).

3. Левина З.М. Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин, М. Машиностроение, 1971.

4. Ананьев И.В. Колбин Н.И. Серебрянский Н.П. Динамика конструкций летательных аппаратов. М. Машиностроение, 1972.

Использование: в контрольно-измерительной технике для измерения толщины немагнитных покрытий на ферромагнитных изделиях. Сущность: устанавливают на поверхность контролируемого покрытия магнит и по силе притяжения магнита судят о толщине покрытия. При этом магнит вводят в контакт с дополнительной механической колебательной системой с заданными параметрами массы и жесткости, возбуждают импульсным воздействием свободные колебания данной системы и измеряют частоту свободных колебаний, по которой судят о силе притяжения магнита. 1 ил.

Способ измерения толщины немагнитных покрытий на ферромагнитных изделиях, заключающийся в том, что устанавливают на поверхность контролируемого покрытия магнит и по силе притяжения магнита судят о толщине покрытия, отличающийся тем, что магнит вводят в контакт с дополнительной механической колебательной системой с заданными параметрами массы и жесткости, возбуждают импульсным воздействием свободные колебания данной системы и измеряют частоту свободных колебаний системы, по которой судят о силе притяжения магнита.