Способ бесконтактного неразрушающего контроля толщины защитных покрытий изделий и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01B7/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в системах автоматического неразрушающего контроля толщины защитных покрытий изделий, используемых в машиностроительной, авиационной, радиотехнической, строительной и других отраслях промышленности..

ИзЕ5естен способ определения толщинь стенки стекловаренной печи, основанный на ее одностороннем нагреве и измерении температуры ее ненагретой поверхности, использовании эталонной пластины, прижимаемой к наружной поверхности стенки печки, и определении градиента температуры по толщине эталонной пластины; измерений перепада температуры между наиболее нагретыми участками поверхности стекломассы, находящейся в печи, и окружающей средой и перепада температуры между наружной поверхностью эталонной пластины и окружающей средой, которые учитываются при определении искомой толщины, ..: :

Недостатком этого способа является ограниченность его функциональных возможvj ю о

00

00

4

ностей и низкая точность, обусловленные требованием двустороннего доступа к поверхности измеряемого тела, что невозможно при определении толщины покрытия, использованием градуировочной зависимости при определении искомого параметра, а также отсутствие поправок на тепловые потери в окружающую среду в результатах измерения.

Известно термометрическое устройство для измерения линейных размеров изделий, состоящее из двух термоприемников, один из которых установлен неподвижно над поверхностью контролируемого изделия, а другой установлен с возможностью перемещения для обеспечения постоянства зазора между его чувствительным элементом и поверхностью контролируемого изделия;, измерительной мостовой схемы, усилителя и стрелочного прибора.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения искомого параметра, обусловленная зависимостью показаний термоприемника от состояния поверхности, так как последний находится в контакте с поверхностью изделий, использованием градуировочной шкалы, а также отсутствием возможности учитывать и вводить поправки в результаты измерения- на потери тепла с поверхности контролируй-.. мых изделий в окружающую среду

За прототип принят способ бесконтактного неразрушающего контроля толщины пленочных изделий, состоящий в нагреве поверхности изделия источником теплов ой энергии, сфокусированным в виде пятна на поверхность изделия, измерении избыточной температуры поверхности изделия в точке, расположенной на линии движения источника и смещенной на некоторое расстояние от центра пятна нагрева, изменении этого расстояния до тех пор, пока избыточная предельная температура станет равной наперед заданному значению, измерении установившегося расстояния между центром пятна нагрева и точкой контроля температуры и определении по найденному значению этого расстояния величины искомой толщины покрытия. .

Недостатком этого способа является невысокая точность определения искомой толщины-, так как в процессе проведений эксперимента не учитываются тепловые потери от нагретой поверхности исследуемых изделий в окружающую среду, что обусловливает дополнительную погрешность в результатах измерения.

За прототип принято устройство неразрушающего контроля толщины пленочного покрытия изделий, содержащее два сосредоточенных источника тепла и два термоприемника, смещенные от источников на одинаковые расстояния, причем оптические оси первой пары этих источников и термоприемников направленны на поверхности контролируемого изделия и сфокусированы на ней, а второй пары направлены на поверхность эталонного образца в виде барабана, на поверхности которого нанесено пленоч0 ное покрытие толщиной, линейно возрастающей в диапазоне исследуемых толщин покрытий, выходы термоприемников через усилители подключены к сравнивающему устройству, выход которого соединен с бло5 ком управления реверсивного двигателя. Устройство содержит, кроме того, привод, платформы, регистрирующий прибор.

Недостатком этого устройства является невысокая точность и помёхозащищен0 ность, так как оно не позволяет учитывать и вводить поправки в результат измерения н а тепло вые потери в окружающую среду. Кроме того, всё блоки устройства преобразуют и регистрируют измерительную информа5 цию в аналоговой форме, искаженной тем- п е ратур н о- в ременными дрейфам и, флуктуациями, помехами и т.д., что также повышает погрешность измерений.

.Недостатком данного устройства явля0 ется также эталойирование, которое обусловливает дополнительную погрешность в результатах измерения за счет разности температур между контрольным изделием и эталоном, уменьшает оперативность измек

5 рений из-за необходимости после каждого .эксперимента термостатировать (охлаждать) эталонный барабан.

Целью изобретения является повышение точности измерения толщины защитных

0 покрытий изделий,.

Сущность способа заключается в следующем. Над исследуемым изделием помёща- ют точечный источник тепловой энергии и тёрмоприемнйк, сфокусированный в точку

5- поверхности, подверженной тёпловомувоз- действию. Включают источник энергии и начинают перемещение его и термоприемника над исследуемым изделием с постоянной скоростью. Затем посте0 пенно смещают точку контроля предельной избыточной температуры от- пятна нагрева по линии движения источника в сторону отставания до достижения заданного рассто- яния RI между источником „и

5 термоприемником, измеряя при этом интегральное по расстоянию значение избыточной температуры Si(R) на отрезке линии движения от пятна нагрева до точки Контроля. Осуществляют измерение избыточной предельной температуры в точке RL Далее,

уменьшив мощность источника энергии.и переместив точку контроля температуры в центр пятна нагрева, смещают постепенно точку контроля избыточной температуры от пятна нагрева по линии движения источни- ка отставания до тех пор, пока контролируемое интегральное по расстоянию перемещения значение избыточной температуры станет равным значению Si(x) (см. фиг. 1). Измеряют найденное значение рас- стояния Rx и значение избыточной температуры при этом расстоянии.отставания точки контроля от центра пятна нагрева, а искомую толщину защитного покрытия определяют по зависимости, полученной на основании следующих рассуждений.

При нагреве поверхности полубеско- нечногр в. тепловом отношении тела подвижным точечным источником энергии избыточная предельная температура повер- хности этого тела в точках, перемещающихся вслед за источником по линии его движения со скоростью, равной скорости перемещения источника энергии, определяется зависимостью q

T(R)

(1)

2ж1я

где q - мощность источника, Вт; Я- средне- интегральный по объему коэффициент теплопроводности изделия, состоящего из покрытия и основания, на которое оно нанесено, Вт/м К; R - расстояние между центром пятна нагрева и точкой.измерения температуры, м..

Поскольку поверхность исследуемого изделия в процессе эксперимента не тепло- изолирована от окружающей среды, то, после нанесения теплового воздействия часть тепла от нагретой поверхности изделия будет отводиться за счет конвективного теплообмена в окружающую среду. Поэтому измеряемое значение избыточной предельной температуры в точке, перемещающейся в след за источником по линии его движения и отстающей от него на расстояние RI, будет определяться зависимостью

i(Rt)- q-y

2ttlRi

где Лцутеч - потери мощности в окружающую среду за счёт конвективного теплообмена.

Из теории теплопроводности известно, что тепловой поток при конвективном теплообмене между поверхностью нагретого тела и окружающей средой определяется выражением

q (R)-TC,(3) где а - коэффициент теплообмена, Вт/м К; Тс - температура окружающей среды.

(21

Потери тепловой энергии в окружающую среду при прохождении точки контроля температуры расстояния от пятна нагрева до точки с координатой RI при мощности источника qi будут определяться выражением

Aqi a/(T.i(R)-Tc)ciR s1(R) . (4)

о

Чтобы потери энергии в окружающую среду при мощности источника q2 были бы равны потерям Aqi, экспериментально находят такое расстояние RX между точкой контроля избыточной температуры и пятна нагрева, при котором

RX Aq2 а / T2(R) - T. R - S2(R) - S i(R). (5)

о

На основании изложенного можно записать, что

20 25

30354045

50

55

.

Т1 (Rl)

(6)

()

Я

(8)

2лгЯРT2W- Н

2л:Ярх Поскольку из (4) и (5) Aqi- Д Q2, то после

несложных математических преобразований выражений (6) и (7) получим формулу для расчета среднеинтегр льного по объему коэффициента теплопроводности изделия в виде

Ф

(Ri)-Ri-T2(:c;:) Измеренный среднеинтегралььый по объему коэффициент теплопровол.мости определяется выр ажением1

Я д + К2 Я ,.(9) где Яп, Я т - коэффициент теплопроводности соответственно покрытия и тела, на которое оно нанесено; Кг, К2 коэффициенты, значения которых изменяются от 0 до 1, так как в соответствии с выражением (9) при отсутствии покрытия К О, К 1, а при максимальной толщине покрытия, когда теплофизические свойства тела не оказывают влияние на формирование температурного поля на поверхности, наоборот, К 1, К 0.

Поскольку среднеинтегральный коэффициент теплопроводности определяется процентным содержанием материала покрытия и тела в единице объема, то Ki + К2 1 и выражение (9) можно записать в следующем виде:

Яп + 0 -Ki) Ат, (10) Ввиду того, что значение коэффициента К пропорционально толщине защитного покрытия, выражение (10) можно записать в следующем виде

.пп- Ап+ (1 -b-.hn). Я т, (11)

где hn - толщина защитного пленочного покрытия;Ь- коэффициент.пропорционально- сти, определяемый экспериментальным путем и численно равный обратной величине от максимально возможной в тепловом отношении толщины покрытия Нмаке. Параметр Ьмакс определяют экспериментально путем удаления термоприемника от точки нагрева материала покрытия до тех пор, пока значение контролируемой избыточной температуры станет равной чувствительно сти контрольно-измерительной аппаратуры. Найденное расстояние и будет равно искомому параметру п макс. Параметр Ьмакс можно определить и расчетным путем, используя для этого выражение (1); заменив в нем T(R) на Ј,Я на Яп и найдя из полученного уравнения R, который и будет равен искомому параметру пмакс. / Произведя ряд несложных математических преобразований выражения (11), получим формулу для определения искомой толщины защитного .покрытияв виде

hn Ммакс

Я-Ят

(12)

Используя выражение (8), получим следующую формулу для определения толщины защитных покрытий: ... .

, Нмакс / qi - Я2 . Пп ) ( Ji(Ri)-Ri -T2(Rx)Rx AT) . . - . (13) Таким .образом, определив коэффициент теплопроводности изделия с защитным покрытием Яс учетом конвективного теплооб- м ена между поверхностью изделия и окружающей средой и зная коэффициенты теплопроводности покрытия и тела Я п и.Я т. а также Ьмакс по формуле (12) можно с большой точностью рассчитать толщину искомого пленочного покрытия. :

На фиг. 2 приведена схема устройства, реализующего предложенный способ.

Устройство состоит из источника тепловой энергии 1, сфокусированного на поверхность исследуемого изделия 2, термоприемника 3, расположенного над поверхностью исследуемого изделия и сфоку- сированного на нее. Термоприемник подключен к информационным входам первого и второго электронных ключей 4 и В, выход первого ключа соединен с входом преобразователя напряжения в частоту б, выход которого в свою очередь подключен к информативному входу реверсивного счетчика 7. Выход второго электронного ключа

через первый аналого-цифровой преобразователь 8 подключен к. первому входу центрального процессора 9, второй вход которого через устройство ввода-вывода 1:0

5 соединен с клавишным пультом управления 11 .Один из выходов клавишного пульта управления 11 подключен к управляющему входу третьего электронного ключа информационный вход которого соединен с

10 реохордом потенциометра 13, а выход - с первым входом комп.аратрра 14, второй вход которого подключен к выходу блока задания опорных напряжений (уетавок) 15. Вход блока уетавок 15 соединен с пультом

15 управления 11..Выход компаратора 14 подключен к управляющему .входу первого электронного ключа и входу инвертора 16, выход которого соединен с управляющим входом второго электронного ключа 5. Рео20 хорд потенциометра 13 подключен к инфор- мационному входучетвертого электронного ключа 17, управляющий вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика 7, а выход через второй аналого25 цифровой преобразователь 18 подключен к третьему1 входу центрального процессора 9. Реохорд потенциометра 13 соединен также с цепью управления магнитного пускателя 19 рев ерсйвного двигателя 20, силовая цепь

30 которого через переключатель полярности 21 подключена к блоку питания двигателя 22, а вал дв игателя соединен с механизмом .перемещения 23 термоприёмника 1 относительно источника 3. Потенциометр 13 .под3.5 к источнику стабилизированного напряжения 24, а реохорд потенциометра кинематически соединен с механизмом пе- . ремещения 23 термоприемника относительно источника тепловой энергии. Выход

40 блока питания источника энергии 25 под- .. ключей к входу источника энергии 3, а цепь, управления блока питания 25 соединена с блоком управления 11, который в сво ю очередь соединен с блоком переключения по45 лярности 21 и цепям управления

магнитного пускателя 19 и механизма перё. мещения 36 источника энергии 3 и тёрш. приемника 1 относительно образца 2, Информационный выход центрального про50 цессора 9 через устройство вывода 27 подключен к индикатору 28. Выход реверсивного счетчика 7 подключен к управляющим входам второго и четвертого элект- ронйых ключей 5 и 17, а также к цепи

55 управления магнитного пускателя 19. Выход компаратора 14 подключен также к цепям управления магнитного пускателя 19 и

механизма перемещения 26.

Устройство реализует предлагаемый пособ следующим образом.

Оператором перед началом измерения с клавишного пульта управления 11 вводится программа расчета искомой толщины покрытия, построенная в соответствии с зависимостью (13). Затем по команде с пульта управления устройство приводится в исходное состояние: закрываются первый 4, второй 5, третий 12 и четвертый 17 электронные ключи, обнуляется счетчик 7, устанавливается на блоке уставок 15 напряжение, пропорциональное значению заданного расстояния RI, включается магнитный пускатель 19, при этом реверсивный двигатель 20:через механизм перемещения 23 перемещает термоприемник 1 относительно источника 3 до совмещения точки контроля температуры с точкой теплового воздействия, при этом реохорд потенциоетра 13 установится- на нулевое прложё ниё, а нулевой сигнал с него выключит магнитный пускатель 19i т.е. осуществится блокировка двигателя 20.

З.апуск устройства осуществляется оператором подачей с пульта управления 11. команды на включение блока питания 25 источника энергии,3, включение механизма перемещения 26 источника 3 и термрпрйем- ика 1 относительно исследуемого изделия 2,переключение полярности питания блоком 21, включение пускателя 19 и запуск двигателя 20, который через механизм 23 осуществляет перемещение термоприемника 1 в сторону отставания .от источника 3, открытие электронных ключей 4, 5 и 12. При перемещении термоприемника от точки теплового воздействия на исследуемое изелие информация об интегральном значении контролируемой избыточной температуры S(R) заносится в счетчик 7. Поскольку стабилизированное напряжение питания в блоке 2.4 подобрано таким образом, чтобы при перемещении реохорда потенциометра 1.3 на единицу длины значения напряжения, снимаемого с реохорда, было строго пропорционально выбранной единице линейного перемещения, то при прохождении те рмр приемником заданного расстояния Ri от источника 3, реохорд, кинематически связанный с термоприемнй- ком,. тоже, переместится на расстояние RI... При этом сигнал с реохорда, подаваемый через ключ 12 на вход компаратора 14, станет равным величине уставки, подаваемой на второй вход компаратора 14. Последний при этом переключится в состояние логичекой единицы, закрыв прямым выходом лектронный ключ 4, выключив пускатель 19

двигателя.20, механизм перемещения 26 и открыв через инвертор 16 ключ 5. Информация о избыточной температуре T(Ri) в точке контроля на расстоянии RI с термоприемни- ка 1 через ключ 5 и первый аналого-цифро- вой преобразователь 8 запишется в оперативную память микропроцессора 9. Затем по команде с пульта управления 11 выключается.механизм перемещения 26 источника и термоприемника, переключается полярность питания реверсивного двигателя 20, включается магнитный пускатель 19, и термоприемник 1 с помощью механизма 23 п е реме щается к иеточ ниху э не рги и 3 до

момента совпадения точки контроля температуры и точки теплового воздействия, при этом блокировка выключает пускатель дви- гател я 20. Далее с пульта управления подаётся сигнална блок питания 25, по которому

мощность теплового воздействия у источника становится равной qa. После этого .по команде с пульта управления пе реключает- -ся блок 21 включается механизм перемещения 26 термоприемника и источника,

включается пускатель 19 и двигатель 20, открываетсяэлектронный ключ 4, а реверсивный счетчик 7 переключается из режима суммирования в режим вычитания. Перемещение термопрйемника относительно источника происходит до тех пор, пока не обнулится реверсивный счетчик 7, что произойдет при выполнении условия (5) Si(R) S2(R) т.е. условия равенства контролируемых интегральных по расстоянию значений

температур при тепловом воздействии мощностью q iи Q2. При этом сигналом с выхода счетчика 7 выключается магнитный пускатель 19 и происходит остановка двигателя 20, Открывается ключ 17 и информация о

расстоянии RX через второй аналого-цифро- вой преобразователь 18 заносится в оперативную память микропроцессора,

открывается электронный ключ 5 и информация T(Rx) об избыточной Контролируемой

температуре в точке Rx с термопрйемника 1 через, ключ 5 и аналого-цифровой преобра- зовате ль 8 запиЩетСя в оперативную память микропроцессора 9. . Используя найденные значения Rx,T(Ri).

и T(Rx), а также информацию о мощности тепловых воздействий qi и q2, о теплофизи- ческих свойствах материалов покрытия и изделий, геометрических размерах участка изделия, подверженного тепловому воздействию, по программе, построенной в соответствии с формулой (13) и введенной в микропроцессор 9, рассчитывается значение искомой толщины покрытия изделий. Найденные значения толщины покрытий

хранятся в оперативной памяти микропроцессора и могут быть вызваны оператором на индикаторное устройство 28 в любое время после окончания эксперимента.

Предложенный способ позволяет учесть в результатах измерения искомой толщины защитных покрытий потери тепла в окружающую среду, что существенно повышает метрологические качества разработанного способа. Большим преимуществом предложенного способа является то, что он позволяет при отсутствии информации о температуре окружающей среды, о коэффициенте теплообмена а , который определить с большой точностью невозможно и на практике его значение берут, как правило, приближенно, при отсутствии информации о состоянии поверхности контролируемых изделий определить потери тепла в окружающую среду и внести соответственно поправку в результаты измерения, что в итоге повышает достоверность и точность информации о толщине защитных покрытий контролируемых изделий.

Предложенное устройство позволяет автоматически определить и вводить поправки на тепловые потери от изделий в окружающую среду, регистрировать и обрабатывать измерительную информацию в цифровой форме, что повышает помехозащищенность и достоверность результатов.

Проведенная экспериментальная проверка показала, что изобретение по сравне- нию с известными способами и устройствами позволило за счет учета потерь тепла с нагретой исследуемой поверхности в окружающую среду на 3-5% повысить точность результатов измерения.

Формула изобр е т е н и я

1. Способ бесконтактного неразрушающего контроля толщины защитных покрытий изделий, заключающийся в том, что изделие нагревают точечным подвижным источником энергии.определенной мощности, измеряют избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности в точке контроля, расположенной по линии движения источника, изменяют расстояние между точкой контроля и источником и учитывают его при определении толщины покрытий, отличающийся тем. что, с целью повышения точности за счет исключения погрешностей от тепловых потерь в окружающую среду, в исходном положении точку контроля размещают в центре пятна нагрева, смещают точку контроля от пятна нагрева на заданное расстояние, измеряя интегральное значение избыточной предельной температуры на отрезке движения

от пятна нагрева до заданного положения точки контроля, измеряют избыточную температуру в заданном положении точки контроля, изменяют мощность источника

энергии, перемещают точку контроля из центра пятна нагрева на расстояние, при котором интегральное по расстоянию значение избыточной температуры будет равно значению интегральной температуры, полученной при первоначальной мощности источника, а толщину Rn .контролируемого покрытия определяют из соотношения

Rn

макс

qi--q2

) TT(R7) Ri - T2(Rx)Rx AT).. где Rn - толщина защитного покрытия;

Я п, Я т - теплопроводность материала покрытия тела, на которое оно нанесено;

qi, q2 - мощность источника тепла.соот- ветств.енно в первом и втором случаях;

R.1 и RX - соответственно заданное и найденное расстояния между центром пятна нагрева и точкой контроля температуры;

Ti(Ri) и TaCRx) - избыточные температуры в точках на линии движения источника соответственно на расстоянии R и Rx от цен- тра пятна нагрева, при мощности источника Q1 и Q2;

Ьмакс - максимально возможная в тепловом отношении толщина покрытия.

2. Устройство для бесконтактного неразрушающего, контроля толщины защитных покрытий издели.й, содержащее

точечный источник тепловой энергии и тер- моприемнйк, сфокусированные на поверхность изделий в процессе контроля, стабилизированный блок питания, подключённый к источнику тепловой энергии, механизм перемещения источника энергии и термоприемника, реверсивный двигатель, блок питаниям управления двигателем, компаратор и индикаторное устройство, о т л и- ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения

точности определения толщины защитных покрытий, оно снабжено четырьмя электронными ключами, преобразователем напряжения в частоту, реверсивным счетчиком, двумя аналого-цифровыми преобрэзоватёлями, центральным процессором, блоком ввода-вывода, клавишным пультом управления, инвертором, переключателем полярности цепи питания двигателя, потенциометром со стабилизированным

источником питания, блоком задания опорных напряжений, механизмом перемеще- йия термоприемника относительно источника тепловой энергии, блоком вывода, выход термоприемника подключен к информационным входам первого и второго электронных ключей, выход первого ключа соединен с входом преобразователя напряжения в частоту, выход которого подключен к информационному входу реверсивного счетчика, выход второго электронного ключа через первый аналого-цифровой преобразователь подключен к первому входу центрального процессора, второй вход которого через устройство ввода-вывода сое- динен с клавишным пультом управления, один из выходом пульта управления подключен к управляющему входу третьего электронного ключа, информационный вход которого соединен с реохордом потенцио- метра, выход-с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу блока задания опорных напряжений, вход блока задания опорных напряжений соединен с пультом управления, выход компаратора подключен к управляющему входу первого электронного ключа и входу инвертора, выход которого соединен с управляющим входом второго электронного ключа, управляющий вход которого соеди- нен с выходом реверсивного счетчика, а . выход ключа через второй аналого-цифровой преобразователь подключен к третьему

входу центрального процессора, реохорд потенциометра соединен с цепью управления магнитного пускателя реверсивного двигателя, силовая цепь которого через переключатель полярности подключена к блоку питания двигателя, а вал двигателя соединен с механизмом перемещения термоприемника относительно точечного источника энергии, потенциометр подключен к источнику стабилизированного напряжения, а реохорд потенциометра кинематически соединен с механизмом перемещения термоприемника относительно источника тепловой энергии, выход реверсивного счетчика подключен к управляющим входам второго и четвертого электронных ключей и к цепи управления магнитного пускателя, выход компаратора подключен к магнитному пускателю и механизму перемещения, источника энергии и термрприемника, блок управления соединен с блоком переключения полярности питания реверсивного двигателя/магнитным пускателем, механизмом перемещения источника и термоприемника и блоком питания источника тепловой энергии, информационный выход центрального процессора через блок вывода подключен к индикатору.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в системах автоматического неразрушающего контроля толщины защитных покрытий изделий, используемых в машиностроительной, авиационной, радиотехнической, строительной и других отраслях промышленности. Цель изобретения - повышение точности измерения толщины защитных по крытий изделий. Предлагаемый способ заключается в том/что изделие нагревают точечным подвижным источником определенной мощности в точке контроля, размещенной в исходном положении в центре пятна нагрева, смещают точку контроля от пятна нагрева на заданное расстояние, измеряя интегральное значение избыточной предельной температуры на отрезке от пятна нагрева до заданного положения точки контроля, затем изменяют мощность источника, перемещают точку контроля в положение, при котором интегральное значение температуры будет равно значению интегральнойтемпературы, полученной при первоначальной мощности источника, а искомую толщину находят по.формуле. 2 с.п.ф- лы, 2 ил, ,.. ел G