Способ измерения толщины слоев двухслойного изделия Советский патент 1992 года по МПК G01B17/02 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для определения толщины каждого слоя двухслойного изделия.

Известен способ определения толщины слоя двухслойного иделия, основанный на измерении времени прохождения ультразвука, вводимого под углом к границе раздела. Его недостатком является существенная погрешность измерений, вызванная нескомпенсированным влиянием температуры объекта контроля на результат измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ определения толщины слоя двухслойного изделия, заключающийся в том, что прозвучивают изделие в направлении, перпендикулярном границе раздела слоев, и по времени распространения ультразвука судят о толщине слоя Данный способ предусматривает вспомогательные измерения общей толщины изделия не ультразвуковым методом (например, с помощью штангенциркуля). Вычисление толщины слоя производится по формуле h Ci (На - Н i)/(Ci - С2), где h толщина измеряемого слоя; Ci - скорость ультразвука в материале измеряемого слоя; С2 скорость ультразвука в материале второго слоя; Hi - общая.толщина изделия, определенная по времени распространения ультразвука: Н2 - толщина изделия, измеренная не ультразвуковым методом (штангенциркулем).

Для реализации способа необходимо, чтобы были известны скорости Ci, C2 распространения ультразвуковых колебаний в каждом слое. Необходимо измерить время прохождения УЗК через асе изделие. Это время связано с толщинами слоев соотношением г - т

1И С2

XJ

Ю N

При реализации способа делается предположение, что скорости распространения УЗ К в каждом слое одинаковы, т.е. Ci С2.

На основании предыдущих соотношений получается равенство

Hi rCi (C2hi + Cih2)/Ci, в которое подставляется толщина изделия На, измеренная штангенциркулем. Из этого соотношения получается выражг- и;. , занноо в формуле изобретения npcivuTViita.

Недостатками рассмотренного способа являются: необходимость использования двух методов измерений, основанных на различных физических принципах (ультразвуковом и не ультразвуковом), существен- ная погрешность, обусловленная влиянием температуры на скорости УЗ К, существенные методические погрешности, вызванные тем фактом, что в расчетной формуле в знаменателе стоит разность двух близких друг к другу величин (скорости УЗК в первом и втором слое). Погрешность косвенных измерений для таких случаев резко возрастает при стремлении знаменателя к нулю.

Целью изобретения является повыше- ние точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в способе измерения толщины слоев двухслойного изделия, заключающегося в том, что прозвучивают изделие в направлении, перпендикулярном границе раздела слоев, и по времени распространения ультразвуковых колебаний судят о толщине,дополни- тельно измеряют температуру изделия, скорости распространения ультразвуковых колебаний в первом и втором слоях изделия, время ipo м дения ультразвуковых колебаний через изделие в направлении, перпендикулярном границе раздела слоев, затем нагревают изделие и повторно изме- ряют температуру изделия, скорости распространения ультразвуковых колебаний в первом и втором слоях изделия, время прохождения ультразвуковых колебаний через изделие в направлении, препендикулярном границе раздела слоев, и рассчитывают толщину каждого слоя по формулам

bI{,c2C5(),(ir2o 4{ta-eo)-C,C4c31 (1г-2(№а

x(,c(V20)cA r2o}V ,C4ot((t2-Ml / A(tl-20)

hz CtC3C.(t.-2oK,CeC/1cf,(t2-2o /A;

где A - СаСз Oi (t2 - 20) a (ti - 20) - CiCi cti (t2 - 20) ai (ti - 20); ti - исходная температура изделия; Ci, C2 - скорости распространения ультразвуковых колебаний соответственно в первом и втором слоях при температуре ti; a, CKL - температурные коэффициенты линейного расширения материалов первого и второго слоев соответственно; t2 - температура нагретого изделия; Сз, d- скорости распространения ультразвуковых колебаний соответственно в первом и втором слоях при температуре г rj , Г2 - время прохождения ультразвуковых колебаний через изделие при температурах ti и t2 соответственно.

Способ осуществляется следующим образом.

Вначале измеряют исходную температуру изделия ti. Затем измеряют скорость распространения ультразвуковых колебаний в первом слое Ci и во втором слое С2 при исходной температуре. Далее с помощью ультразвуковой аппаратуры измеряют время прохождения ультразвуковых колебаний через два слоя изделия в направлении, перпендикулярном границе раздела слоев, и фиксируют это время ti , После этого нагревают изделие до температуры t2 и повторно измеряют скорости распространения ультразвуковых колебаний в первом Сз и втором С4 слоях изделия, а также время прохождения tz ультразвуковых колебаний через изделие в направлении, перпендикулярном границе раздела слоев. Расчет толщины каждого слоя производится в соответствии с приведенной формулой.

Формула получена на основании следующих соображений.

Время прохождения ультразвуковых колебаний зависит от толщины слоев и скорости распространения ультразвуковых колебаний в слоях при температуре ti

т - hiei(4 2°) . h2a2(ti-20) л-Ci+ ,

при температуре ta

hiai (tii -20)

Сз С4

На основании этих двух выражений можно получить ситему уравнений, из которой легко выразить hi и h2.

Для измерения температуры изделий могут быть использованы различные методы и средства. Например, механические термометры, принцип действия которых основан на тепловом расширении тел, жидкостные термометры, в которых происходит расширение жидкости, заключенной в резервуар. Недостатком механических термометров является невозможность передачи информации на большие расстояния, например, для ее введения в оперативную память ЭВМ. Более предпочтительными

Т2

+

Ь2 01 ( 12 20 )

являются измерения с помощью электрических контактных термометров (термосопро- тиолений, термопар). Для автоматизации процесса измерения температуры наиболее целесообразно использовать бесконтакт- ные оптические параметры. Подробное описание подобных устройств и их технические характеристики приведены в технической литературе.

При косвенном измерении толщины каждого слоя необходимо определить скорости распространения ультразвуковых колебаний в каждом слое. Известно большое количество методов, позволяющих выполнить такие измерения. Наибольшее распро- странение получили метод поверхностного прозвучивзния с раздельными и метод поверхностного прозвучивания с раздельно- совмещенными преобразователями.

Для измерения скорости ультразвуке- вых колебаний отдельно в каждом слое можно использовать большое число типов как. отечественной, так и зарубежной аппаратуры. Например, скорость может быть измерена с помощью толщиномера УТ-56 Б.

Для измерения времени прохождения ультразвуковых колебаний через изделие в направлении, перпендикулярном границе раздела слоев, также может быть использована широкая номенклатура приборов. Удобно производить подобные измерения, например, с помощью ультразвукового дефектоскопа УД 2-12.

Измерение скорости ультразвука происходит при существенных перепадах тем- пературы (700...800°С). Известно, что температурный коэффициент скорости ультразвука для стали составляет - 1 м/с«град. Таким образом, изменение температуры окружающей среды в указанном диапазоне приводит к изменению скорости ультразвуковых колебаний примерно на 10%. Эта величина является достаточной для того, чтобы зафиксировать надежно вариацию скорости из-за нагрева изделия.

Одновременно с изменением скорости УЗК происходит линейное расширение изделия. Это явление в расчетной формуле учитывают коэффициенты а и «2 .

Очевидно, что для реализации описан- ного способа следует использовать устройство, в котором происходит автоматическое измерение температуры изделия, скорости распространения УЗК в каждом из слоев, времени прохождения УЗК через изделие.

Вычисление толщины каждого слоя должно производиться с помощью ЭВМ , запрограммированной в соответствии с расчетной формулой. Для работы такого устройства оператору потребуется ввести в ЭВМ значение температурных коэффициентов линейного расширения материалов для первого и второго слоев.

Формула изобретения Способ измерения толщины слоев двухслойного изделия, заключающийся в том, что прозвучивают изделие в направлении, перпендикулярном границе раздела слоев, и по времени распространения ультразвуковых колебаний рассчитывают толщину слоев,отлич а ющийся тем, что, с целью повышения точности, измеряют температуру изделия, скорости распространения ультразвука в первом и втором слоях изделия, нагревают изделие и повторно измеряют температуру изделия, скорости распространения ультразвуковых колебаний в первом и втором слоях изделия, время прохождения ультразвуковых колебаний через изделие в направлении, перпендикулярном границе раздела слоев, и рассчитывают толщину каждого слоя по формулам

,(ireo)4(V2oVc(c4c3((-ta-2oW4

4tr20)-CX2(tr20)(t,-20)2- -CA°UVM№.) WWM(tr2oK.C2C/,oMV20)/A,

где А С2Сз «2 (ta - 20) a (ti - 20) - CiC4 a (t2 - 20) аг (ti - 20);;

ti - исходная температура изделия;

Ci, C2 - скорости распространения ультразвуковых колебаний соответственно в первом и втором слоях при температуре ti;

«1, GZ - температурные коэффициенты линейного расширения материалов первого и второго слоев соответственно;

t2 - температура нагретого изделия;

Сз, С4 - скорости распространения ультразвуковых колебаний соответственно в первом и втором слоях при температуре t2;

П , Т2 - время прохождения ультразвуковых колебаний через изцелие при температурах ti и t2 соответственно.

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для определения толщины каждого слоя двухслойного изделия. Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения. Цель достигается тем, что измерения проводят при двух различных температурах ti и ta, дополнительно измеряют температуру изделия, скорости распространения ультразвуковых колебаний в первом и втором слоях изделия и рассчитывают толщину каждого слоя по формулам.