СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2002 года по МПК G01B7/06 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть применено в системах автоматического неразрушающего контроля толщины двухслойных изделий и их теплофизических свойств, используемых в машиностроительной, авиационной, радиотехнической, строительной и других отраслях промышленности.

Известен способ бесконтактного неразрушающего контроля толщины пленочного покрытия изделия (авт. св. СССР 1733917, кл. G 01 В 7/06, 1992 г.), заключающийся в том, что осуществляют нагрев контролируемой поверхности изделия с помощью источника тепловой энергии, мощность которого подбирается так, что температура в зоне нагрева не превышала температуры термодеструкции материала покрытия, измеряют температуру поверхности покрытия с помощью подвижного термоприемника, выбирают два различных значения температуры меньше максимальной температуры нагрева поверхности покрытия, выбирают параметр, характеризующий движение термоприемника, измеряют выбранный параметр и находят два его значения, при которых температура в точке ее измерения будет соответственно равна первому или второму выбранному значению, и определяют искомую толщину покрытия, используя найденные значения параметра, выбранные значения температур и значения мощности источника, нагрев осуществляют подвижным точечным источником тепловой энергии, термоприемник и источник располагают на фиксированном расстоянии друг от друга и перемещают их параллельно друг другу на поверхности изделия с одинаковой скоростью, а в качестве параметра выбирают скорость их перемещения.

Недостатком данного способа является возможность определения толщины покрытия только при наличии информации о теплофизических свойствах материалов покрытия и основания, на которые оно нанесено.

За прототип принят способ бесконтактного неразрушающего контроля толщины изделия (см. авт. св. СССР 1504491, МКИ G 01 В 7/06, 1989 г.), заключающийся в том, что изделие нагревают и измеряют температуру поверхности изделия в заданных точках, изделие нагревают точечным источником тепловой энергии, перемещают последний, измеряют избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности изделия в точке, расположенной за точечным источником тепловой энергии по линии его движения, измеряют расстояние отставания точки контроля температуры от центра пятна нагрева точечным источником тепловой энергии до тех пор, пока избыточная предельная температура станет равной наперед заданному значению, измеряют расстояние отставания точки контроля от центра пятна нагрева точечным источником тепловой энергии, по которому определяют толщину контролируемого изделия.

Недостатком данного способа является определение толщины одного слоя двухслойных изделий по известным теплофизическим свойствам слоев изделия и невозможность определения толщины каждого слоя и их теплофизических свойств, что значительно снижает область применения и функциональные возможности.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем измерения значений толщины слоев и теплофизических свойств двухслойных изделий и расширение области применения.

Поставленная цель достигается тем, что способ бесконтактного неразрушающего контроля толщины и теплофизических свойств изделий, заключающийся в том, что изделие нагревают точечным источником тепловой энергии, перемещают последний, измеряют избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности изделия в точке, расположенной за точечным источником тепловой энергии по линии его движения, измеряют расстояние отставания точки контроля температуры от пятна нагрева точечным источником тепловой энергии до тех пор, пока избыточная предельная температура станет равной наперед заданному значению, измеряют расстояние отставания точки контроля от центра пятна нагрева точечным источником тепловой энергии, дополнительно измеряют вторым термоприемником избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности изделия по линии, перпендикулярной линии движения точечного источника, при разных значениях мощности точечного источника тепловой энергии, измеряют расстояние между точками контроля температуры по линии, перпендикулярной линии движения точечного источника тепловой энергии до тех пор, пока температура поверхности в точке контроля не достигнет наперед заданного значения, величина которой задается равной чувствительности контрольно-измерительной аппаратуры, измеряют эти расстояния, измеряют также температуру и первым термоприемником по линии движения источника тепловой энергии при разных значениях мощности, а теплофизические свойства и толщину слоев изделия определяют с учетом мощности источника энергии, температуры на линии движения источника энергии, измеренного расстояния отставания точки контроля температуры первым термоприемником и измеренных расстояний между точками контроля температуры вторым термоприемником.

На фиг.1 показано устройство бесконтактного неразрушающего контроля толщины и теплофизических свойств изделий.

На фиг.2 показана графическая зависимость теплопроводности двухслойного изделия от толщины прогрева тепловой системы при разных значениях мощности источника тепловой энергии.

На фиг.3 показана графическая зависимость температуропроводности двухслойного изделия от толщины прогрева тепловой системы при разных значениях мощности источника тепловой энергии.

Устройство, реализующее способ, содержит точечный источник 1 тепловой энергии, датчики температур 2 и 8, перемещаемые с постоянной скоростью Н относительно измеряемого изделия. Выход датчика температуры 2 и датчика 8 подключены, соответственно, к первому входу вычитающего узла 3 и 10, на вторые входы которых подаются с блоков 4 и 9 задания температур напряжения уставки, моделирующие величину наперед заданной температуры Т_зад и Т_зад.1 соответственно. Разностный сигнал с выхода вычитающего узла 3 через усилитель 5 мощности поступает на реверсивный двигатель 6, вал которого кинематически соединен с механизмом перемещения относительно источника 1 тепловой энергии. Разностный сигнал с выхода вычитающего узла 10 через усилитель 11 мощности поступает на реверсивный двигатель 12, вал которого кинематически соединен с механизмом перемещения относительно датчика 2 температуры по линии, перпендикулярной линии движения источника тепловой энергии. Датчик 8 соединен с регистрирующим узлом 13, осуществляющим запись и показания толщины прогрева исследуемых изделий. Датчики 2 и 8 соединены также, соответственно, с преобразователями 7 и 14 перемещения в электрический сигнал, выходы которых подключены к микропроцессору 15.

Сущность способа заключается в следующем.

Включают источник 1 и начинают его перемещение и датчика температуры 2 над исследуемым изделием с постоянной скоростью Н. Датчик температур 2, движущийся при этом по линии А перемещения источника энергии с отставанием от него, зарегистрирует предельную избыточную температуру нагреваемой поверхности, соответствующую установившемуся квазистационарному режиму нагрева. Затем изменяют расстояние отставания точки контроля от центра пятна нагрева источника энергии в соответствии с зависимостью
x = x_нач+Δx, (1)
где х_нач - начальное расстояние между точкой регистрации температуры и центром пятна нагрева:
Δx = k[T_зад-T(x)] = kΔT(x);
Т_зад - наперед заданное значение температуры поверхности исследуемого тела, величина которой устанавливается таким образом, чтобы ее можно было измерить с помощью используемой контрольно-измерительной аппаратуры с погрешностью не хуже 1%, Т(х) - избыточная предельная температура в точке контроля, k - коэффициент пропорциональности, величина которого задается от 0,1 до 2. Разностный сигнал ΔT(x) с выхода вычитающего узла 3 через усилитель 5 поступает на реверсивный двигатель 6, который в зависимости от знака и величины рассогласования перемещает в ту или иную сторону датчик 2 относительно источника 1. Изменение расстояния между точкой контроля температуры и центром пятна нагрева, перемещение термоприемника осуществляют до тех пор, пока контролируемая избыточная температура поверхности исследуемого изделия станет равной наперед заданному значению Т_зад, т.е. T_зaд=T(x), ΔT(x) = 0, разностный сигнал на выходе вычитающего устройства 3 отсутствует. Затем от точки регистрации избыточной температуры Т_зад изменяют расстояние точки контроля датчика температуры 8 от линии движения источника энергии в соответствии с зависимостью
Y = Y_нач+ΔY, (2)
где Y_нач - начальное расстояние между точкой регистрации температуры датчиком 8 и линией движения источника энергии; ΔY = k[T_зад.1-T(y)] = kΔT(y); Т_зад.1 - наперед заданное значение температуры поверхности исследуемого изделия, величина которой задается равной чувствительности контрольно-измерительной аппаратуры, Т(y) - избыточная предельная температура в точке контроля; k - коэффициент пропорциональности, величина которого задается от 0,1 до 2. Разностный сигнал ΔT(y) с выхода вычитающего узла 10 через усилитель 11 поступает на реверсивный двигатель 12, который в зависимости от знака и величины рассогласования перемещает в ту или иную сторону датчик 8 относительно датчика 2 по линии, перпендикулярной линии движения источника 1. Изменение расстояния между точкой контроля температуры и линией движения источника энергии, перемещением термоприемника 8 осуществляют до тех пор, пока контролируемая избыточная температура поверхности исследуемого изделия станет равной наперед заданному значению T_зад.1, т.е. Т_зад.1=Т(y), ΔT(y) = 0, разностный сигнал на вычитающем устройстве 10 отсутствует. При этом на регистрирующем узле 13 фиксируется местоположение датчика 8, соответствующее определенной толщине прогрева исследуемого изделия.

При нагреве поверхности полубесконечного в тепловом отношении изделия подвижным точечным источником энергии избыточная предельная температура поверхности этого изделия в точке, перемещающейся вслед за источником по линии его движения со скоростью, равной скорости перемещения источника, определяется формулой

где Т(х) - избыточная предельная температура нагреваемой поверхности полубесконечного изделия в точке, перемещающейся вслед за источником по линии его движения [К] ; q - мощность источника, Вт; усредненный коэффициент теплопроводности тепловой системы, состоящей из покрытия и основания, на которое оно нанесено, Вт/(м•К); х - расстояние между точкой контроля температуры и центром пятна нагрева поверхности исследуемого изделия сосредоточенным источником энергии.

Поскольку расстояние между точкой контроля температуры и центром пятна нагрева изменяется до момента наступления равенства Т(х)=Т_зад, то в соответствии с формулой (3)

Известно также, что при нагреве поверхности полубесконечного тела подвижным точечным источником энергии избыточная предельная температура этого тела в точке, перемещающейся вслед за источником со скоростью источника, определяется формулой

где R - расстояние от точки измерения температуры твердого тела до пятна нагрева поверхности тела сосредоточенным источником энергии, причем усредненный коэффициент температуропроводности тепловой системы, состоящей из покрытия и основания, на которое оно нанесено, м²/с.

При движении теплоприемника по линии Б со скоростью Н, равной скорости движения источника тепла, предельная избыточная температура определяется формулой

где y - расстояние от точки регистрации температуры до линии движения источника тепла. Поскольку расстояние от точки регистрации температуры до линии движения источника тепла адаптивно изменяется до момента наступления равенства T(y)= T_зад.1, то из формулы (6) определяется усредненный коэффициент температуропроводности тепловой системы

Затем изменяют мощность источника энергии в соответствии с зависимостью

и изменяют расстояние от точки регистрации температуры термоприемником 8 до линии движения источника тепла по зависимости (2) до тех пор, пока контролируемая термоприемником 8 избыточная температура станет равной наперед заданному значению T_зад.1=T(y), ΔT(y) = 0, а также измеряют термоприемником 2 новые значения температур при каждой мощности источника энергии и по формулам (4) и (7) определяют новые значения и соответственно, усредненные коэффициенты температуропроводимости тепловой системы и теплопроводности тепловой системы.

Поскольку расстояние y от точки регистрации температуры термоприемником 8 до линии движения источника тепла в соответствии с зависимостью (5) есть толщина прогрева исследуемого изделия, то можно построить зависимости теплопроводности и температуропроводности от толщины прогрева тепловой системы при разной мощности источника энергии (см. фиг.2 и 3).

Так как покрытие и основание, на которое оно нанесено, представляет собой двухслойную систему, пронизываемую при тепловом воздействии тепловым потоком, перпендикулярным слоям, то при толщине покрытия l_п теплопроводность будет соответствовать теплопроводности λ_n покрытия (см. участок I фиг.2), а температуропроводность а будет соответствовать температуропроводности а_п покрытия (см. участок I фиг.3).

Толщина слоя основания определяется как разность между толщиной двухслойного изделия, измеренная любым известным способом, и толщиной покрытия l_п, определяемая по фиг.2 или фиг.3.

На основании формулы Цедерберга можно записать, что

где λ_п, λ_T- коэффициенты теплопроводности, соответственно, покрытия и основания, на которое оно нанесено:


m_П - масса покрытия; m_T - масса прогретого слоя основания.

Так как m_П= V_П•ρ_П= S•l_П•ρ_П, a m_T= V_T•ρ_T= S•l_T•ρ_T, где V_П и V_T - соответственно объемы покрытия и основания, подверженные тепловому воздействию; l_П - толщина покрытия, которая определяется по графику (см. фиг.2), l_т - толщина прогретого слоя основания; ρ_П, ρ_T- плотность покрытия и основания, то

Подставив (10) в (9) и проведя ряд несложных математических преобразований, получим формулу для определения теплопроводности основания двухслойной системы.

где - постоянная, зависящая от отношения плотности покрытия и основания.

По графику (фиг.2) для любого значения l участка II формулу (11) можно записать в виде

Температуропроводность a_T основания можно определить
a_T = λ_T/c_T•ρ_T, (13)
где c_T - теплоемкость материала основания.

Таким образом, измерив и зафиксировав расстояние между точкой контроля температуры первым термоприемником и центром пятна нагрева, а также расстояние между точками контроля температуры по линии, перпендикулярной линии движения точечного источника тепловой энергии при разных значениях мощности точечного источника тепловой энергии, и измерив при этих значениях мощности источника энергии температуру первым термоприемником по линии движения источника энергии на зафиксированном расстоянии х от него и зная мощность теплового воздействия, значения заданных температур Т_зад и Т_зад.1, плотность материалов слоев, можно определить не только толщину каждого слоя, но и их теплофизические свойства.

Изобретение относится к области измерительной техники. В способе изделие нагревают точечным источником тепловой энергии, перемещают последний, измеряют первым термоприемником избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности изделия в точке, расположенной за точечным источником тепловой энергии по линии его движения, изменяют расстояние отставания точки контроля температуры от пятна нагрева точечным источником тепловой энергии до тех пор, пока избыточная предельная температура станет равной наперед заданному значению, измеряют расстояние отставания точки контроля от центра пятна нагрева точечным источником тепловой энергии и дополнительно измеряют вторым термоприемником избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности изделия по линии, перпендикулярной линии движения точечного источника, при разных значениях мощности точечного источника тепловой энергии. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 3 ил.

Способ бесконтактного неразрушающего контроля толщины и теплофизических свойств изделий, заключающийся в том, что изделие нагревают точечным источником тепловой энергии, перемещают последний, измеряют первым термоприемником избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности изделия в точке, расположенной за точечным источником тепловой энергии по линии его движения, изменяют расстояние отставания точки контроля температуры от центра пятна нагрева точечным источником тепловой энергии до тех пор, пока избыточная предельная температура станет равной наперед заданному значению, измеряют расстояние отставания точки контроля от центра пятна нагрева точечным источником тепловой энергии, отличающийся тем, что вторым термоприемником измеряют избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности изделия по линии, перпендикулярной линии движения точечного источника тепловой энергии, при разных значениях мощности точечного источника тепловой энергии изменяют расстояние между точками контроля температуры по линии, перпендикулярной линии движения точечного источника тепловой энергии, до тех пор, пока температура поверхности в точке контроля вторым термоприемником не достигнет наперед заданного значения, величина которой задается равной чувствительности контрольно-измерительной аппаратуры, измеряют эти расстояния, измеряют также температуру и первым термоприемником по линии движения источника тепловой энергии при разных значениях мощности, а теплофизические свойства и толщину слоев изделия определяют с учетом мощности источника энергии, температуры на линии движения источника энергии, измеренного расстояния отставания точки контроля температуры первым термоприемником и измеренных расстояний между точками контроля температуры вторым термоприемником.