RU2023237C1 - Method of determining layer thickness - Google Patents

Method of determining layer thickness Download PDF

Info

Publication number
RU2023237C1
RU2023237C1 SU4891759A RU2023237C1 RU 2023237 C1 RU2023237 C1 RU 2023237C1 SU 4891759 A SU4891759 A SU 4891759A RU 2023237 C1 RU2023237 C1 RU 2023237C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
material layer
phase difference
frequencies
thickness
layer
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.Д. Корнеев
Original Assignee
Корнеев Владимир Дмитриевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Корнеев Владимир Дмитриевич filed Critical Корнеев Владимир Дмитриевич
Priority to SU4891759 priority Critical patent/RU2023237C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2023237C1 publication Critical patent/RU2023237C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology; flaw detection. SUBSTANCE: method involves the steps of: periodically thermally affecting a specimen surface on one side, recording variations in its temperature in a check point and determining a phase difference between oscillations of heat flow and layer temperature in check points. The device for effecting method has electric power source 1 coupled with heat flow source 2, heat flow modulator 3, infra-red radiation sensor 5, DC potentiometer, amplifier 7, and mirror- galvanometer oscillograph. EFFECT: enhanced accuracy and widened range of layers to be measured by determining their thickness of low heat condition materials and cylindrical layers. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дефектометрических исследований. The invention relates to measuring equipment and can be used for defectometric studies.

Известен способ определения толщины плоcкого слоя, недостатком которого является низкая точность определения искомой величины [1]. A known method for determining the thickness of a flat layer, the disadvantage of which is the low accuracy of determining the desired value [1].

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ [2] , включающий одностороннее импульсное воздействие на слой тепловым импульсным потоком, постоянным во время действия импульса и равномерно распределенным по поверхности слоя, регистрацию изменения температуры на одной из поверхностей слоя и определение его толщины с учетом плотности поглощаемого теплового потока и объемной теплоемкости материала слоя, причем регистрацию изменения температуры ведут непрерывно во время действия импульса и определяют скорость нагрева поверхности слоя, а толщину слоя определяют по участку стабильности вспомогательной функции. Closest to the proposed technical solution is the method [2], which includes a one-sided pulsed action on the layer by a thermal pulse flow, constant during the action of the pulse and uniformly distributed over the layer surface, recording the temperature change on one of the layer surfaces and determining its thickness taking into account the density of the absorbed heat flow and volumetric heat capacity of the material of the layer, and the temperature changes are recorded continuously during the pulse and determine the speed at roar surface layer, and layer thickness is determined by the stability of the auxiliary function portion.

Известный способ отличается низкой точностью. Область его применения ограничена. The known method is characterized by low accuracy. Its scope is limited.

Целью изобретения является повышение точности и расширение номенклатуры измеряемых слоев путем определения толщины слоя материала с низкой теплопроводностью и цилиндрических слоев. The aim of the invention is to improve the accuracy and expansion of the range of measured layers by determining the thickness of the layer of material with low thermal conductivity and cylindrical layers.

В предлагаемом способе отсутствует погрешность, связанная с температурной зависимостью теплофизических свойств и необходимостью определения тепловых потоков. В способе обеспечивается возможность определения скрытых дефектов, раскрывающихся при деформировании материала. In the proposed method there is no error associated with the temperature dependence of thermophysical properties and the need to determine heat fluxes. The method provides the ability to determine latent defects that are revealed during the deformation of the material.

Поставленная цель достигается тем, что в материале создают периодические колебания температуры путем модуляции теплового потока поочередно на двух частотах, толщину слоя определяют по результатам измерения разности фаз между колебаниями теплового потока и температуры в контрольной точке для одной из частот и определения поправки на теплообмен (критерий Био) по измеренным величинам разности фаз для двух частот. Например, для плоcкого слоя толщина слоя может быть определена по формуле
l =

Figure 00000002
, где а - коэффициент температуропроводности материала;
ω- частота колебаний теплового потока;
κ - безразмерный критерий, величина которого для фиксированного числа Био зависит только от l, a, ω и который определяется по результатам измерения величины сдвига фаз между колебаниями теплового потока и температуры в контрольной точке.This goal is achieved by the fact that the material creates periodic temperature fluctuations by modulating the heat flux alternately at two frequencies, the layer thickness is determined by measuring the phase difference between the heat flux and temperature fluctuations at a control point for one of the frequencies and determining the heat transfer correction (Biot criterion ) by the measured values of the phase difference for two frequencies. For example, for a flat layer, the layer thickness can be determined by the formula
l =
Figure 00000002
where a is the coefficient of thermal diffusivity of the material;
ω is the oscillation frequency of the heat flux;
κ is a dimensionless criterion, the value of which for a fixed Bio number depends only on l, a, ω and which is determined by measuring the phase shift between the fluctuations in the heat flux and temperature at the control point.

Толщина цилиндрического слоя материала определяется по зависимостям, принципиально аналогичным приведенной. Плоские многослойные образцы подвергают знакопеременному изгибу в процессе прохождения температурной волны через образец. Изгиб осуществляют в облаcти упругих деформаций материала без потери устойчивости слоев на сжатой стороне и без разрушения. Измерения разности фаз между колебаниями теплового потока на поверхности и температуры в контрольной точке производят при нескольких фиксированных положениях изогнутой пластины либо при медленном изменении величины изгибающего момента и последующем изменением направления его действия. При наличии скрытого дефекта в слоистом материале в одном из положений пластины величина дефекта, например высота зазора воздушной прослойки, будет максимальной, что приведет к увеличению сдвига фаз. The thickness of the cylindrical layer of the material is determined by the dependencies, fundamentally similar to the given. Flat multilayer samples are subjected to alternating bending during the passage of a temperature wave through the sample. Bending is carried out in the region of elastic deformations of the material without loss of layer stability on the compressed side and without fracture. The phase difference between the fluctuations in the heat flux on the surface and the temperature at the control point is measured at several fixed positions of the curved plate or at a slow change in the magnitude of the bending moment and subsequent change in the direction of its action. If there is a latent defect in the laminate in one of the plate positions, the defect size, for example, the height of the gap of the air gap, will be maximum, which will lead to an increase in phase shift.

Поправка на теплообмен определяется непосредственно в эксперименте в качестве интегральной характеристики, что способствует уменьшению погрешности измерения, так как коэффициент теплоотдачи и степень черноты в эксперименте не определяются и не рассчитываются. The correction for heat transfer is determined directly in the experiment as an integral characteristic, which helps to reduce the measurement error, since the heat transfer coefficient and degree of blackness in the experiment are not determined and are not calculated.

На фиг.1 показана схема экспериментальной установки, позволяющей реализовать способ; на фиг.2 и 3 - графики, иллюстрирующие способ. Figure 1 shows a diagram of an experimental setup that allows to implement the method; figure 2 and 3 are graphs illustrating the method.

Установка включает источник электроэнергии 1, соединенный с источником теплового потока и модулятором теплового потока 3, слой исследуемого материала 4, датчик инфракрасного излучения 5, соединенный с потенциометром постоянного тока 6, усилителем 7 и шлейфовым осциллографом 8. В качестве источника теплового потока 2 используют лампу накаливания с параболическим рефлектором. Поток излучения периодически перерывается шторкой с электромагнитным приводом, управляемым сигналами мультивибратора. Указанные элементы составляют модулятор теплового потока 3, переменный сигнал, пpопоpциональный изменению мощноcти теплового потока, с модулятора теплового потока 3 направляется на осциллограф 8. В качестве датчика изменения мощности используют фотодиод (не показан). Фотодиод используется также и в качестве датчика инфракрасного излучения 5. Вместо фотодиода может быть использована термопара с соответствующими динамическими свойствами. При иcследовании материалов с высокой теплопроводностью и высокой частоте колебаний теплового потока вместо шлейфового 8 может использоваться двухлучевой электронный осциллограф. The installation includes an electric power source 1 connected to a heat flux source and a heat flux modulator 3, a material layer 4, an infrared radiation sensor 5 connected to a DC potentiometer 6, an amplifier 7, and a loop oscilloscope 8. An incandescent lamp is used as a heat flux source 2 with a parabolic reflector. The radiation flow is periodically interrupted by a shutter with an electromagnetic drive controlled by the signals of the multivibrator. These elements make up the heat flux modulator 3, an alternating signal proportional to the change in the heat flux power, is sent from the heat flux modulator 3 to the oscilloscope 8. A photodiode (not shown) is used as a power change sensor. A photodiode is also used as an infrared radiation sensor 5. Instead of a photodiode, a thermocouple with corresponding dynamic properties can be used. When studying materials with high thermal conductivity and a high frequency of oscillations of the heat flux, a double-beam electronic oscilloscope can be used instead of a loop 8.

Изобретение осуществляется следующим образом. The invention is as follows.

Слой исследуемого материала 4 размещают между модулятором теплового потока 3 и датчиком 5. После включения источников энергии 1 и теплового потока 2 включают модулятор 3 и осуществляют подачу переменного теплового потока на поверхность слоя материала 4, возбуждая в нем колебания температуры. Регистрацию колебаний температуры на противоположной поверхности слоя 4 осуществляют при помощи фотодиода 5. Используя потенциометр постоянного тока, компенсируют постоянную составляющую электрического сигнала. Переменную составляющую усиливают при помощи усилителя 7 и регистрируют на фотобумаге осциллографа Н 117-8. При помощи осциллографа 8 регистрируют также колебания теплового потока после модулятора 3. Определяют величину сдвига фаз между колебаниями температуры и теплового потока. Например, для слоя высотой l, состоящего из пластин, эффективная температуропроводность равна
аэф = 0,46 ˙ 10-5 м2/c Подают прерывистый тепловой поток на поверхность образца с частотой ω 0,736 рад/с. Измеряют сдвиг фаз между колебаниями температуры и теплового потока, который составляет φ 208о. Величину безразмерного критерия κ определяют по графику фиг.2, причем κ =4,05,
l = l =

Figure 00000003
= 1,005·10 2 м . = 1,005 ˙ 102 м. Величину κ определяют при условии Bi ≈ 0, так как материал обладает высокой теплопроводностью в условиях незначительного теплообмена с окружающей средой.A layer of the investigated material 4 is placed between the heat flux modulator 3 and the sensor 5. After turning on the energy sources 1 and heat flux 2, the modulator 3 is turned on and an alternating heat flux is supplied to the surface of the material layer 4, causing temperature fluctuations in it. The registration of temperature fluctuations on the opposite surface of the layer 4 is carried out using a photodiode 5. Using a constant current potentiometer, compensate for the constant component of the electrical signal. The variable component is amplified by an amplifier 7 and recorded on photographic paper of the H 117-8 oscilloscope. Using an oscilloscope 8, the oscillations of the heat flux after the modulator 3 are also recorded. The phase shift between the fluctuations in temperature and the heat flux is determined. For example, for a layer of height l consisting of plates, the effective thermal diffusivity is
and eff = 0.46 ˙ 10 -5 m 2 / s. Intermittent heat flux is supplied to the surface of the sample with a frequency ω of 0.736 rad / s. The phase shift between the temperature and heat flux, which is φ 208 about . The size of the dimensionless criterion κ is determined according to the graph of figure 2, with κ = 4.05,
l = l =
Figure 00000003
= 1.00510 2 m . = 1.005 ˙ 10 2 m. The value of κ is determined under the condition B i ≈ 0, since the material has high thermal conductivity in conditions of low heat exchange with the environment.

В случае, если величина критерия Bi отличается значимо от 0, измерение сдвига фаз φ1(ω) и φ2(2ω) производят на двух частотах ω и 2 ω. По графику фиг. 3 определяют величину критерия Bi, далее по величине φ1(ω) и графику фиг. 2 определяют величину κ и по приведенной выше формуле рассчитывают высоту слоя l.If the value of the criterion B i differs significantly from 0, the phase shift φ 1 (ω) and φ 2 (2ω) are measured at two frequencies ω and 2 ω. According to the graph of FIG. 3 determine the value of criterion B i , then the value of φ 1 (ω) and the graph of FIG. 2 determine the value of κ and, using the above formula, calculate the layer height l.

Claims (3)

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ МАТЕРИАЛА, заключающийся в том, что осуществляют одностороннее воздействие тепловым потоком на слой материала, регистрируют изменение температуры слоя материала и определяют его толщину, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения номенклатуры измеряемых слоев путем определения толщины слоя материала с низкой теплопроводностью и цилиндрических слоев, осуществляют периодические колебания температуры слоя материала путем модуляции теплового потока поочередно на двух частотах, измеряют разность фаз между колебаниями теплового потока и температуры слоя в контрольной точке для одной из частот и для двух частот, по разности фаз для двух частот определяют поправку на теплообмен, а толщину слоя материала определяют по разности фаз для одной из частот с учетом полученной поправки. 1. THE METHOD FOR DETERMINING THE THICKNESS OF THE MATERIAL LAYER, which consists in the fact that a one-sided action of the heat flux on the material layer is carried out, a change in the temperature of the material layer is recorded and its thickness is determined, characterized in that, in order to increase the accuracy and expand the range of the measured layers by determining the layer thickness material with low thermal conductivity and cylindrical layers, carry out periodic fluctuations in the temperature of the material layer by modulating the heat flux alternately at two frequencies, changing The phase difference between the fluctuations of the heat flux and the temperature of the layer at the control point for one of the frequencies and for two frequencies is determined, the correction for heat transfer is determined by the phase difference for the two frequencies, and the thickness of the material layer is determined by the phase difference for one of the frequencies taking into account the obtained correction. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности путем определения скрытых дефектов слоя материала, при воздействии тепловым потоком на слой материала его деформируют, а разность фаз измеряют при различных фиксированных деформированных состояниях слоя материала. 2. The method according to claim 1, characterized in that, in order to increase information content by identifying latent defects of the material layer, when exposed to a heat flow on the material layer, it is deformed, and the phase difference is measured under various fixed deformed states of the material layer. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, разность фаз измеряют в процессе изменения деформированного состояния слоя материала. 3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that, in order to increase productivity, the phase difference is measured in the process of changing the deformed state of the material layer.
SU4891759 1990-12-17 1990-12-17 Method of determining layer thickness RU2023237C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4891759 RU2023237C1 (en) 1990-12-17 1990-12-17 Method of determining layer thickness

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4891759 RU2023237C1 (en) 1990-12-17 1990-12-17 Method of determining layer thickness

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2023237C1 true RU2023237C1 (en) 1994-11-15

Family

ID=21550503

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU4891759 RU2023237C1 (en) 1990-12-17 1990-12-17 Method of determining layer thickness

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2023237C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2620986C1 (en) * 2016-03-09 2017-05-30 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Method for determining thickness of flat layer

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Авторское свидетельство СССР N 1557454, кл. G 01B 21/08, 1987. *
Журнал Дефектоскопия, М, 1984, N 1, с.41. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2620986C1 (en) * 2016-03-09 2017-05-30 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Method for determining thickness of flat layer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Adams et al. Thermal diffusivity and thickness measurements for solid samples utilising the optoacoustic effect
JPH08304315A (en) Measuring method of thermal diffusivity
US3672204A (en) Transient thermal method and means for nondestructively testing a sample
Baumann et al. Determining photothermally the thickness of a buried layer
RU2023237C1 (en) Method of determining layer thickness
JPH0795049B2 (en) Method of measuring thermal diffusivity by alternating current heating, method of measuring thermal conductivity and thermal diffusivity measuring device
Zalameda et al. Thermal diffusivity measurements on composite porosity samples
SE424024B (en) PHOTOTHERMIC METCELL FOR STUDYING THE LIGHT ABSORPTION OF A TEST SUBSTANCE
PERALTA et al. Thermal wave imaging using harmonic detection of the photoacoustic signal
SU934335A1 (en) Method of determining thermo-physical characteristics of polymeric materials
RU2788562C1 (en) Method for determining the complex of thermophysical characteristics of solid construction materials
Papp et al. Heat diffusivity and heat conductivity of Ni near the Curie point
SU1267242A1 (en) Method of determining thermal physical properties of materials
JPH0479534B2 (en)
JPS6138410B2 (en)
SU1663428A1 (en) Method of nondestructive testing of film coat thickness
Dongming et al. Experimental and numerical study on infrared thermal wave imaging
JP2005300352A (en) Thermal constant measuring device
Zalameda et al. Measurement of composite fiber volume fraction using thermal and ultrasonic inspection techniques
SU1293606A1 (en) Method and apparatus for measuring thermal diffusitivity of materials
RU2114421C1 (en) Method of bispectral pulse-frequency inspection
SU1691726A1 (en) Method of determination of thermal diffusivity of solids
SU1689827A1 (en) Method for determination of thermal diffusivity of solids
SU1187047A1 (en) Method of determining material temperature conductivity
RU2330264C1 (en) Non-destructive method for estimating adhesive strength of coatings