RU2101674C1

RU2101674C1 - Thermal probe for nondestructive testing of thickness of protective film coats

Info

Publication number: RU2101674C1
Application number: RU94042102A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Чернышов; А.В. Терехов
Original assignee: Тамбовский государственный технический университет
Priority date: 1994-11-22
Filing date: 1994-11-22
Publication date: 1998-01-10
Also published as: RU94042102A

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: thermal probe includes line heater and temperature-sensitive element made in the form of working and auxiliary thermopiles which soldered connections are arranged at specified distances of both sides of line heater and in parallel to it. Distance from soldered connections of auxiliary thermopiles to heater is greater than distance from heater to working thermopiles. Working thermopiles are connected in series and working and auxiliary thermopiles are connected differentially. EFFECT: enhanced authenticity of measurements by thermal probe. 3 dwg , 1 tbl

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может найти широкое применение в системах неразрушающего контроля и измерений толщины пленочных покрытий. The invention relates to measuring technique and can be widely used in non-destructive testing systems and thickness measurements of film coatings.

Известен термозонд для измерения характеристик теплозащитных покрытий (см. журнал "АВОК" N 5/6 1993), предназначенный для создания одностороннего кратковременного теплового импульса на поверхности исследуемого изделия и отслеживания изменения температуры на этой поверхности. Он состоит из эталонного тела, выполненного из теплоизоляционного материала с известными теплофизическими характеристиками, на рабочей поверхности которого расположен плоский нагреватель центральносимметричной формы, в геометрическом центре которого размещен датчик температуры. Known thermal probe for measuring the characteristics of heat-protective coatings (see the journal "ABOK" N 5/6 1993), designed to create a one-sided short-term thermal pulse on the surface of the investigated product and to monitor temperature changes on this surface. It consists of a reference body made of a heat-insulating material with known thermophysical characteristics, on the working surface of which there is a flat heater of a centrally symmetric shape, in the geometric center of which there is a temperature sensor.

Недостатком данного термозонда является невысокая точность определения искомых характеристик материала, так как на результаты измерения оказывают влияние возможные изменения температуры исследуемого тела в процессе измерения. Кроме того, после каждого измерения необходимо термостатирование эталонной части, в противном случае возникает контролируемый температурный градиент между исследуемым изделием и эталонным телом, что обусловливает дополнительную погрешность температурных измерений. К недостаткам данного термозонда следует отнести ограниченность его функциональных возможностей, так как его можно применять для тел с плоскими поверхностями контакта. The disadvantage of this thermoprobe is the low accuracy of determining the desired characteristics of the material, since the measurement results are influenced by possible changes in the temperature of the investigated body during the measurement process. In addition, after each measurement, it is necessary to thermostat the reference part, otherwise a controlled temperature gradient arises between the test product and the reference body, which causes an additional error in temperature measurements. The disadvantages of this thermoprobe should be attributed to its limited functionality, since it can be used for bodies with flat contact surfaces.

Известен термозонд для измерения теплопроводности твердых тел [1] работа которого основана на создании теплового воздействия на исследуемое тело и измерении его температуры при наступлении стационарного режима. Термозонд содержит корпус в виде стержня с алмазным наконечником, состоящим из двух частей: измерительной, выполненной из полупроводникового алмаза и части, воспринимающей нагрузку и соединенной с корпусом. После прижима зонда к исследуемому телу пропусканием тока через кристалл полупроводникового алмаза зонд нагревается до заданной температуры. Температура контролируется по известной для данного кристалла алмаза температурной зависимости электрического сопротивления. Known thermal probe for measuring the thermal conductivity of solids [1] whose work is based on creating a thermal effect on the body under study and measuring its temperature when stationary conditions occur. The thermal probe contains a body in the form of a rod with a diamond tip, consisting of two parts: a measuring one made of semiconductor diamond and a part that accepts the load and connected to the body. After the probe is clamped to the body under investigation by passing current through a semiconductor diamond crystal, the probe heats up to a predetermined temperature. The temperature is controlled by the temperature dependence of the electrical resistance known for a given diamond crystal.

Недостатком этого термозонда является необходимость его термостатирования, в противном случае погрешность температурных измерений значительно возрастет из-за возникновения неконтролируемого температурного градиента между термозондом и исследуемым телом. Кроме того, существенным недостатком данного термозонда является значительная погрешность измерения, обусловленная невозможностью точного определения величины тепловых потерь, которые от эксперимента к эксперименту носят случайный характер из-за случайного характера процесса теплообмена корпуса и окружающей среды. The disadvantage of this thermal probe is the need for temperature control, otherwise the error in temperature measurements will increase significantly due to the uncontrolled temperature gradient between the thermal probe and the body under study. In addition, a significant drawback of this thermoprobe is the significant measurement error due to the inability to accurately determine the amount of heat loss, which from experiment to experiment are random in nature due to the random nature of the heat transfer process of the housing and the environment.

За ближайший аналог принят термозонд для измерения толщины пленочных покрытий [2] содержащий трубчатый корпус с полым держателем, в котором размещен поршень. Держатель и корпус подпружинены относительно друг друга. На обращенных в противоположные стороны поверхностях держателя и поршня закреплены нагреватели, выполненные идентично и включенные параллельно. По обе стороны от них размещены по две микротермопары, являющиеся термоэлементом, соединенные между собой дифференциально. Один нагреватель и пара микротермопар при измерениях прижимаются к эталонному образцу, а второй нагреватель и другая пара микротермопар к объекту контроля. Результирующая разностная ЭДС, получаемая на зажимах микротермопар, т.е. термочувствительного элемента, пропорциональна разности толщин пленочных покрытий на объекте контроля и эталонном образце. The closest analogue is a thermal probe for measuring the thickness of film coatings [2] containing a tubular body with a hollow holder in which the piston is placed. The holder and the housing are spring loaded relative to each other. On opposite surfaces of the holder and piston, heaters are fixed, made identically and connected in parallel. On both sides of them are placed two microthermocouples, which are a thermocouple, interconnected differentially. One heater and a pair of microthermocouples during measurements are pressed against the reference sample, and the second heater and another pair of microthermocouples to the object of control. The resulting differential EMF obtained at the terminals of microthermocouples, i.e. temperature-sensitive element is proportional to the difference in the thickness of the film coatings on the control object and the reference sample.

Недостатком термозонда-прототипа являются: во-первых, сложность конструкции, обусловленная необходимостью изготовления двух идентичных измерительных головок, одна из которых выполняет роль эталонной измерительной части, во-вторых, необходимость изготовления специального образца эталона, в-третьих, дополнительная погрешность измерения из-за отличия температур на эталонной и измерительной головках, обусловленная их некоторой неидентичностью и отличием теплофизических условий, в которых они находятся, отличием состояния их контактирующих поверхностей, а также из-за аккумулирования тепла в эталонной части зонда после проведения нескольких измерений. The disadvantage of the prototype thermal probe is: firstly, the design complexity due to the need to manufacture two identical measuring heads, one of which acts as a reference measuring part, secondly, the need to manufacture a special standard sample, and thirdly, an additional measurement error due to differences in temperatures at the reference and measuring heads, due to their certain non-identity and the difference in the thermophysical conditions in which they are located, the difference in the state of their contact surfaces, as well as due to the accumulation of heat in the reference part of the probe after several measurements.

Технической задачей предлагаемого изобретения является исключение эталонирования и связанных с ним погрешностей, повышение точности измерений и упрощение конструкции термозонда. The technical task of the invention is the elimination of standardization and associated errors, improving the accuracy of measurements and simplifying the design of the thermal probe.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в термозонде для неразрушающего контроля толщины защитных пленочных покрытий, содержащем корпус, держатель, установленный в нем с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно продольной оси корпуса, размещенную на держателе эластичную пластину с расположенной на ней теплоизоляционной подложкой и размещенные на последней нагреватель и термочувствительный элемент с возможностью их контакта с контролируемым пленочным покрытием, нагреватель выполнен линейным, а термочувствительный элемент выполнен в виде рабочих и вспомогательных термобатарей, спаянные соединения которых расположены на заданных расстояниях по обе стороны от линейного нагревателя и параллельно ему, причем расстояние от спаянных соединений вспомогательных термобатарей до нагревателя больше, чем расстояние от нагревателя до рабочих термобатарей, рабочие термобатареи, как и вспомогательные, соединены между собой последовательно, а рабочие и вспомогательные дифференциально. The solution of the stated technical problem is achieved by the fact that in a thermal probe for non-destructive testing of the thickness of protective film coatings containing a housing, a holder installed in it with the possibility of reciprocating movement relative to the longitudinal axis of the housing, an elastic plate placed on the holder with a heat-insulating substrate located on it and placed on the latter, the heater and the heat-sensitive element with the possibility of their contact with a controlled film coating, the heater is made lin the heat-sensitive element is made in the form of working and auxiliary thermal batteries, the soldered joints of which are located at predetermined distances on both sides of the linear heater and parallel to it, and the distance from the soldered joints of the auxiliary thermal batteries to the heater is greater than the distance from the heater to the working thermal batteries, thermal batteries, as well as auxiliary ones, are interconnected in series, while working and auxiliary ones are differentially connected.

На фиг. 1 изображен предлагаемый термозонд; на фиг. 2 размещение нагревателя и термочувствительного элемента в виде рабочих и вспомогательных термобатарей на теплоизоляционной подложке, т.е. дан вид со стороны нагревателя и термочувствительного элемента; на фиг. 3 схема соединения рабочих и вспомогательных термобатарей в термочувствительном элементе. In FIG. 1 shows the proposed thermal probe; in FIG. 2 placement of the heater and the thermosensitive element in the form of working and auxiliary thermal batteries on a heat-insulating substrate, i.e. given a view from the side of the heater and the thermosensitive element; in FIG. 3 diagram of the connection of working and auxiliary thermal batteries in a heat-sensitive element.

Термозонд содержит (фиг. 1) цилиндрический корпус, состоящий из двух частей 1 и 2, соединенных с помощью четырех винтов 3, на которые установлены пружины 4, обеспечивающие постоянную степень прижатия измерительной головки, имеющей возможность возвратно-поступательного движения в цилиндрической полости корпуса 1-2, к поверхности исследуемого объекта 5 с пленочным покрытием 6. Измерительная головка состоит из держателя 7 с размещенными на нем эластичной пластиной 8 и теплоизоляционной подложкой 9. На поверхности теплоизоляционной подложки, контактирующей с объектом 5, имеется канавка, в которую помещен нагреватель 10 из микропровода с высоким электрическим сопротивлением (нихром), постоянное натяжение которого обеспечивается пружинами 11. На заданном расстоянии по обе стороны от линии нагревателя 10 и параллельно ему расположены спаи рабочих 12, 13 и вспомогательных 14, 15 термобатарей. Причем расстояние от нагревателя до вспомогательных термобатарей взято больше, чем расстояние от нагревателя до рабочих термобатарей. Такое расположение рабочих и вспомогательных термобатарей, а также выбор моментов снятия с них измерительной информации гарантирует то, что тепловая волна не достигнет спаев вспомогательных термобатарей, достигнув рабочих. Обычно расстояние до рабочих термопар берется 2-3 мм, а до вспомогательных 20 мм. Рабочие термобатареи 12, 13, как и вспомогательные термобатареи 14, 15, соединены последовательно, но рабочие термобатареи включены дифференциально относительно вспомогательных термобатарей (см. фиг. 3). Количество термопар в термобатареях выбирается с учетом требуемого выходного напряжения, характеристик устройств унификации измерительного сигнала и устройств обработки измерительной информации. The thermal probe contains (Fig. 1) a cylindrical body, consisting of two parts 1 and 2, connected by four screws 3, on which springs 4 are mounted, providing a constant degree of pressure of the measuring head, with the possibility of reciprocating movement in the cylindrical cavity of the housing 1- 2, to the surface of the test object 5 with a film coating 6. The measuring head consists of a holder 7 with an elastic plate 8 placed on it and a heat-insulating substrate 9. On the surface of the heat-insulating substrate, activating with the object 5, there is a groove in which the heater 10 is placed from a microwire with high electrical resistance (nichrome), the constant tension of which is ensured by the springs 11. At a given distance on both sides of the line of the heater 10 are junctions of the workers 12, 13 and auxiliary 14, 15 thermal batteries. Moreover, the distance from the heater to the auxiliary thermal batteries is taken greater than the distance from the heater to the working thermal batteries. Such an arrangement of the working and auxiliary thermal batteries, as well as the choice of the moments of taking measurement information from them, ensures that the heat wave does not reach the junctions of the auxiliary thermal batteries, reaching the workers. Typically, the distance to the working thermocouples is taken 2-3 mm, and to the auxiliary 20 mm. The working thermal batteries 12, 13, as well as the auxiliary thermal batteries 14, 15, are connected in series, but the working thermal batteries are switched on differentially with respect to auxiliary thermal batteries (see Fig. 3). The number of thermocouples in thermopiles is selected taking into account the required output voltage, the characteristics of the devices for the unification of the measuring signal and devices for processing measurement information.

Термозонд работает следующим образом. В процессе измерения термозонд прижимается к объекту контроля контактной поверхностью измерительной головки. При этом пружины 4 обеспечивают постоянное усилие прижатия термобатарей 12-15 и нагревателя 10 к объекту контроля, причем использование эластичной пластины обеспечивает плотное прилегание без воздушных зазоров контактной поверхности измерительной головки как к плоским, так и к имеющим небольшой радиус кривизны объектам контроля. После подачи теплового импульса от нагревателя разностная ЭДС, пропорциональная толщине пленочного покрытия, получаемая от рабочих и вспомогательных термобатарей, в заранее заданные два момента времени τ₁ и τ₂ поступает на измерительно-вычислительное микропроцессорное устройство 16, где в соответствии с алгоритмом измерения, построенным на основе математической модели тепловых процессов в исследуемом объекте, производится вычисление толщины пленочного покрытия. Моменты времени τ₁ и τ₂ задаются такими, чтобы для исследуемых классов материалов изделий тепловая волна от воздействия теплового импульса достигала спаев рабочих термобатарей, но не доходила до спаев вспомогательных термобатарей. Математическую модель получили на основании следующих рассуждений. Известно (см. авт.св. СССР N 834482, кл. G 01 N 25/18, 1979), что при импульсном тепловом воздействии от линейного источника тепла температурное поле на поверхности изделия на расстоянии от линии действия источника тепла в два момента времени τ₁ и τ₂ описывается уравнениями

где T₁(x,τ₁) и T₂(x,τ₂) соответственно значение избыточной температуры на расстоянии x от линии расположения нагревателя в моменты времени τ₁ и τ₂, далее обозначим их просто как T₁ и T₂;
Q_о мощность, выделяемая нагревателем;

среднеинтегральный по объему коэффициент теплопроводности;

среднеинтегральный по объему коэффициент температуропроводности исследуемого объекта.Thermal probe works as follows. During the measurement, the thermal probe is pressed against the control object by the contact surface of the measuring head. In this case, the springs 4 provide a constant force of pressing the thermal batteries 12-15 and the heater 10 to the test object, and the use of an elastic plate ensures a tight fit without air gaps of the contact surface of the measuring head to both flat and to small objects of curvature radius of control. After a heat pulse is supplied from the heater, the differential EMF, proportional to the thickness of the film coating, obtained from the working and auxiliary thermal batteries, at two predetermined time points τ ₁ and τ ₂ enters the measuring and computing microprocessor device 16, where, in accordance with the measurement algorithm built on Based on the mathematical model of thermal processes in the studied object, the thickness of the film coating is calculated. The time instants τ ₁ and τ ₂ are set so that for the studied classes of product materials, the heat wave from the influence of the heat pulse reaches the junctions of the working thermal batteries, but does not reach the junctions of the auxiliary thermal batteries. The mathematical model was obtained on the basis of the following reasoning. It is known (see ed. St. USSR N 834482, class G 01 N 25/18, 1979) that under pulsed heat from a linear heat source, the temperature field on the surface of the product at a distance from the line of action of the heat source at two times τ ₁ and τ _{2 is} described by the equations

where T ₁ (x, τ ₁ ) and T ₂ (x, τ ₂ ), respectively, the excess temperature at a distance x from the line of the heater at times τ ₁ and τ ₂ , hereinafter we simply denote them as T ₁ and T ₂ ;
Q _{about the} power emitted by the heater;

volume-average thermal conductivity coefficient;

volume-average thermal diffusivity coefficient of the studied object.

Из системы (1) имеем

Поскольку участок изделия с покрытием, подвергнутый тепловому воздействию, представляет собой двухслойное тело, пронизываемое тепловым потоком, то измеряемый среднеинтегральный по объему коэффициент теплопроводности

будет определяться выражением

где λ_п коэффициент теплопроводности покрытия;
λ_изд коэффициент теплопроводности изделия;
m₁ и m₂ коэффициенты, значения которых изменяются от 0 до 1, так в соответствии с (3) при отсутствии покрытия m₁ 0, m₂ 1 и максимальной толщине покрытия, при которой теплофизические свойства тела изделия практически не оказывают влияния на формирование температурного поля поверхности, наоборот m₁ 1, m₂ 0.From system (1) we have

Since the portion of the coated product subjected to thermal action is a two-layer body penetrated by the heat flux, the measured thermal conductivity

will be determined by the expression

where λ _p the thermal conductivity of the coating;
λ _ed thermal conductivity coefficient of the product;
m ₁ and m _{2 are} coefficients whose values vary from 0 to 1, so in accordance with (3) in the absence of coverage m ₁ 0, m ₂ 1 and the maximum thickness of the coating, at which the thermophysical properties of the body of the product practically do not affect the formation of temperature surface field, on the contrary m ₁ 1, m ₂ 0.

Поскольку среднеинтегральный коэффициент теплопроводности

определяется процентом содержания покрытия в единице объема исследуемого тела, то m₁ + m₂ 1 и выражение (3) примет вид

Ввиду того что значение коэффициента m₁ пропорционально толщине пленочного покрытия, выражение (4) можно записать в виде

где h_п толщина покрытия;
K коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментальным путем на изделии с известной толщиной пленочного покрытия.Since the average integral coefficient of thermal conductivity

is determined by the percentage of the coating content per unit volume of the investigated body, then m ₁ + m ₂ 1 and expression (3) takes the form

Due to the fact that the coefficient m _{1 is} proportional to the thickness of the film coating, expression (4) can be written as

where h _{p the} thickness of the coating;
K is the coefficient of proportionality determined experimentally on the product with a known thickness of the film coating.

Из выражения (5) имеем

Подставив выражение (2) в (6), имеем

Таким образом, измерив избыточную температуру T₁ и T₂ в два заранее заданных момента времени τ₁ и τ₂ и зная теплофизические свойства материала покрытия и изделия, на которое оно нанесено, а также мощность теплового воздействия, по отношению (7) легко определить искомую толщину пленочного защитного покрытия.From the expression (5) we have

Substituting expression (2) into (6), we have

Thus, by measuring the excess temperature T ₁ and T ₂ at two predetermined points in time τ ₁ and τ ₂ and knowing the thermophysical properties of the coating material and the product on which it is applied, as well as the heat exposure power, it is easy to determine the desired the thickness of the film protective coating.

Основным недостатком известного термозонда-прототипа для измерения толщины защитных пленочных покрытий является необходимость эталонирования, что обусловливает при измерении дополнительную погрешность из-за разности температур эталонной и рабочей частей зонда, а также погрешность из-за отличия состояния поверхностей эталона и контролируемых объектов. Кроме того, недостатком зонда-прототипа является также и сложность его конструкции, обусловленная необходимостью изготовления как эталонного образца, идентичного по свойствам исследуемому объекту, так и эталонной измерительной части. The main disadvantage of the known prototype thermal probe for measuring the thickness of protective film coatings is the need for standardization, which causes an additional error in the measurement due to the temperature difference between the reference and working parts of the probe, as well as an error due to the difference in the state of the standard surfaces and the controlled objects. In addition, the disadvantage of the prototype probe is also the complexity of its design, due to the need to produce both a reference sample, identical in properties to the studied object, and the reference measuring part.

В предлагаемом термозонде эти недостатки устранены, так как размещение рабочих и вспомогательных термобатарей на одной поверхности рабочей головки и дифференциальное включение рабочих и вспомогательных термобатарей исключает влияние на измерительную информацию начальной температуры в системе измерительная головка исследуемый объект и ее изменение в процессе проведения эксперимента, а также влияние на результат изменения состояния поверхности объекта исследования, меняющегося от эксперимента к эксперименту. In the proposed thermal probe, these drawbacks are eliminated, since the placement of the working and auxiliary thermal batteries on one surface of the working head and the differential inclusion of working and auxiliary thermal batteries exclude the influence of the initial temperature in the measuring system on the measuring head of the object under study and its change during the experiment, as well as the effect on the result of a change in the surface state of the object of study, changing from experiment to experiment.

Кроме того, существенным преимуществом предлагаемого термозонда перед известными техническими решениями данного назначения является использование микротермобатарей, позволяющих получить высокий по уровню помехозащищенности сигнал, что в итоге значительно уменьшает погрешность температурно-временных измерений и значительно упрощает требования к схемам унификации и нормализации измерительного сигнала. In addition, a significant advantage of the proposed thermal probe over the well-known technical solutions for this purpose is the use of microthermal batteries, which make it possible to obtain a signal with a high level of noise immunity, which ultimately significantly reduces the error of temperature-time measurements and greatly simplifies the requirements for unification and normalization of the measuring signal.

Для проверки работоспособности предлагаемого технического решения был создан макет измерительного зонда, в котором для теплоизоляционной подложки использовались теплоизоляционные материалы типа "Рипор", "Тинк" и др. а термобатареи изготавливались из хромель-копелевых проводников диаметром 50 мкм. Экспериментальные данные приведены в таблице. Проведенная экспериментальная проверка показала не только работоспособность предлагаемого термозонда, но и его высокие эксплуатационные и метрологические характеристики. To test the operability of the proposed technical solution, a model of a measuring probe was created in which heat-insulating materials of the type “Ripor”, “Tink” and others were used and the thermal batteries were made of chromel-kopel conductors with a diameter of 50 μm. The experimental data are given in the table. The conducted experimental verification showed not only the operability of the proposed thermal probe, but also its high operational and metrological characteristics.

Таким образом, предложенный термозонд по сравнению с известными техническими решениями имеет значительные преимущества в точности определения искомой толщины покрытия изделий из-за уменьшения погрешностей температурно-временных измерений, упрощения конструкции и всего процесса измерения, так как исключено эталонирование, что позволяет значительно уменьшить затраты времени и средств на изготовление образцов-эталонов, что в итоге существенно увеличивает оперативность и производительность измерений. Из вышесказанного следует, что предложенный термозонд найдет широкое применение в приборах и системах оперативного неразрушающего контроля качества материалов и готовых изделий, а также в практике термометрических исследований. Thus, the proposed thermal probe, in comparison with the known technical solutions, has significant advantages in the accuracy of determining the desired coating thickness of the products due to the reduction of temperature-time measurement errors, simplification of the design and the entire measurement process, since standardization is excluded, which can significantly reduce the time and funds for the manufacture of standard samples, which ultimately significantly increases the efficiency and productivity of measurements. It follows from the foregoing that the proposed thermal probe will find wide application in instruments and systems for operational non-destructive quality control of materials and finished products, as well as in the practice of thermometric studies.

Claims

A thermal probe for non-destructive testing of the thickness of protective film coatings, comprising a housing, a holder mounted therein with the possibility of reciprocating movement relative to the longitudinal axis of the housing, an elastic plate placed on the holder with a heat-insulating substrate located on it and placed on the latter with a heater and a heat-sensitive element with the possibility of their contact with a controlled film coating, characterized in that the heater is linear, and the heat-sensitive element is made nn in the form of working and auxiliary thermal batteries, the soldered joints of which are located at predetermined distances on both sides of the linear heater and parallel to it, and the distance from the soldered joints of the auxiliary thermal batteries to the heater is greater than the distance from the heater to the working thermal batteries, working thermal batteries, as well as auxiliary are interconnected in series, while the workers and auxiliary are differentially.