SU1753252A1 - Способ бесконтактного неразрушающего контрол толщины пленочных покрытий изделий и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Насто ща  группа изобретений относитс  к области измерительной техники Цель - повышение точности измерений толщины покрыти  изделий, что достигаетс  в способе тем, что участок поверхности издели  нагревают импульсами излучени  заданной мощности, длительности и частоты следовани , интенсивность инфракрасного излучени  измер ют в центре участка, сравнивают эту интенсивность с заданными нижним и верхним пороговыми значени ми , выбранными соответственно из условий превышени  на заданную величину начального инфракрасного излучени  участка и ограничени  максимальной интенсивности величиной, при которой источник инфракрасного излучени  не оказывает разрушающего воздействи  на изделие, подсчитывают число импульсов излучени , проход щее за врем  перехода от нижнего порогового значени  интенсивности до ее верхнего значени , и по этому числу определ ют толщину покрыти , а в устройстве - тем, что оно дополнительно снабжено вторым компаратором с инверсным входом, генератором тактовых импульсов, ключом с трем  входами, счетчиком и цифровым регистратором , источник инфракрасного излучени  выполнен в виде источника импульсов излучени  заданной мощности и длительности с управл ющим входом, соединенным с выходом генератора тактовых импульсов, а выход второго компаратора соединен с выходом приемника инфракрасного излучени  2 с. п ф-лы, 2 ил. fe VI (Л Сл) to СП к

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть применено в системах автоматического неразрушающего контрол  толщины пленочных покрытий изделий , используемых в машиностроительной , авиационной, радиотехнической и других отрасл х промышленности

Известен способ определени  толщины 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: измерении перепада температуры между наиболее нагретыми участками поверхности стекломассы, наход щейс  в печи и окружающей средой и перепада температуры между наружной поверхностью эталонной пластины и окружающей средой, которые учитываютс  при определении искомой толщины .

Недостатком этого способа  вл етс  ограниченность его функциональных возможностей и низка  точность, обусловленные требованием двустороннего доступа к поверхности измер емого теЛа, что невозможно при определении толщины покрыти , использованием градуировочной зависимости при определении искомого параметра.

Известно термометрическое устройство дл  измерени  линейных размеров изделий , состо щее из двух термоприемников, один из которых установлен неподвижно над поверхностью контролируемого издели , а другой установлен с возможностью перемещени  дл  обеспечени  посто нства зазора между его чувствительным элементом и поверхностью контролируемого издели , измерительной мостовой схемы, усилител  и стрелочного прибора.

Недостатками данного устройства  вл ютс  ограниченные функциональные возможности , обусловленные тем, что устройство способно измер ть толщину изделий только в виде отдельных пленок, а не пленочных покрытий, да и то только в небольшом диапазоне измерени  их толщины , определ емом толщиной приграничного теплового сло . Низка  точность измерени  искомого параметра обусловлена зависимостью показаний термоприемников от состо ни  поверхности исследуемых изделий , использованием градуировочной шкалы.

За прототип прин т способ бесконтактного неразрушающего контрол  толщины пленочных изделий, состо щий в нагреве поверхности издели  источником тепловой энергии, сфокусированным в виде п тна на поверхность издели , измерении избыточной температуры поверхности издели  в точке, расположенной на линии движени  источника и смещенной на некоторое рассто ние от центра п тна нагрева, изменении этого рассто ни  до тех пор, пока избыточна  предельна  температура станет равной наперед заданному значению, измерении установившегос  рассто ни  между центром п тна нагрева и точкой контрол  температуры и определении по найденному значению этого рассто ни  величины искомой толщины покрыти .

Недостатками этого способа  вл ютс  невысока  точность и низка  помехозащищенность , так как измерительна  информаци  в ходе эксперимента снимаетс  в

аналоговой форме, на значение которой оказывают большое вли ние погрешность, обусловленна  неточностью задани  и поддержани  на нужном уровне мощности теплевого воздействи , погрешность от измерени  начальной температуры исследуемых объектов от издели  к изделию, погрешность темп ературно-в реме иных дрейфов, смещени  точек отсчета, различ0 ного рода флуктуации, случайных помех и т.д.

За прототип прин то устройство неразрушающего контрол  толщины пленочного покрыти  изделий, содержащее два сосре5 доточенных источника тепла и два термоприемника , смещенные от источников на одинаковые рассто ни , причем оптические оси первой пары этих источников и термоприемников направлены на поверхность

0 контролируемого издели  и сфокусированы на ней, а второй пары направлены на поверхность эталонного образца в виде барабана, на поверхности которого нанесено пленочное покрытие с толщиной, линейно чозра5 стающей в диапазоне исследуемых толщин покрытий, выходы термоприемников через усилители подключены к сравнивающему устройству, выход которого соединен с блоком управлени  реверсивного двигател .

0 Устройство содержит, кроме того, привод, платформы, регистрирующий прибор.

Недостатком данного устройства  вл етс  эталонирование, которое обуславливает дополнительную погрешность в

5 результатах измерени  за счет разности температур между контрольным изделием и эталоном, уменьшает оперативность измерений из-за необходимости после каждого эксперимента термостатировать (охлаж0 дать) эталонный барабан. Кроме того, недостатком этого устройства  вл етс  невысока  точность и помехозащищенность , так как все блоки устройства преобразуют и регистрируют измерительную

5 информацию в аналоговой форме, искаженной температурно-временными дрейфами, флуктуаци ми, помехами и т.д.

Цель изобретени  - повышение точности измерени  толщины покрыти  изделий.

0 На фиг. 1 показан график, по сн ющий способ; на фиг. 2 - устройство, реализующее способ.

Сущность способа заключаетс  в следующем .

5 Над исследуемым изделием без покрыти  помещают источник инфракрасного излучени , сфокусированный на поверхность издели  в виде п тна диаметром d не менее 20 мм, чтобы тепловому воздействию был подвергнут достаточный дл  получени  достоверных результатов обьем издели . Кроме того, над поверхностью исследуемого издели  размещают термоприемник, сфокусированный на центр круга теплового воздействи . Затем осуществл ют тепловое воздействие импульсами заданной мощности , длительности и частоты следовани . Фиксируют момент времени л, когда температура в центре п тна нагрева достигает первого заданного значени  Ti, величина которого беретс  равной 20-30% от начальной температуры исследуемого издели . Затем определ ют число тепловых импульсов щ, которое наноситс  источником тепла на поверхность издели  от момента времени П до момента та, когда избыточна  температура в центре п тна нагрева достигает второго заданного значени  температуры Та, величина которого задаетс  эбычно на 15- 20% ниже температуры термодиструкции материала покрыти  (фиг 1) Далее аналогичные операции производ т над изделием с покрытием и определ ют число тепловых импульсов П2, поданных импульсным источником тепла в интервале времени от момен- та, когда избыточна  контролируема  температура в центре п тна нагрева стала равной первому заданному значению Ti, до момента равенства контролируемой температуры второму значению Т2. Затем опреде- л ют разность тепловых импульсов Дп fn2-ni I, а искомую толщину пленочного покрыти  определ ют по формуле, полученной на основании следующих рассуждений.

Аккумулированное в исследуемом изде- лии без покрыти  тело при действии гп тепловых импульсов определ етс  соотношением

01 П1Яо Ст-/9т VT-(T2-Ti)Cw AT. (1)

где q0 - количество тепла, поглощаемое участком издели , при действии одного теплового импульса;

CT./OT - соответственно удельна  тепло- емкость и плотность издели CTV объемна  теплоемкость исследуемого участка издели ;

- температурный интервал, в котором осуществл етс  нагрев исследуе- мого участка издели ;

VT - объем издели  подвергнутого тепловому воздействию

При нагреве исследуемого участка издели  с покрытием от температуры Ti до Т2, аккумулированное в изделии тепло определ етс  соотношением

Q2 n2-qo(Cw+Cnv) ДТ, (2)

где Cnv - объемна  теплоемкость пленочного покрыти  на исследуемом участке издели 

Вычита  из выражени  (2) выражение (1), получим соотношение

(п2-гц) или Дп -pn Vn,

(3)

где Сп,/Эп - соответственно удельна  теплоемкость и плотность материала покрыти ;

Vn - объем пленочного покрыти , подверженного тепловому воздействию.

Поскольку Vn hn Sn, где Sn - площадь покрыти , подверженна  тепловому воздействию , то из (3) получим формулу дл  определени  искомой толщины пленочного покрыти  в виде

hn -

An q0

Cn РП Sn ДТ

(4)

Искомую толщину покрыти  можно рассчитать по формуле, котора  получаетс  сле- дующим образом Вз в соотношение выражени  (1) к (2) и произвед  р д несложных математических преобразований, получим выражение

П1

па hT + hn Cn,On

(5)

Из соотношени  (5) получим формулу дл  определени  искомой толщины в следующем виде1

hn

Ьт ( П2 Ст /От П 1 Cn /On П1 Сп РП

(6)

где hT - глубина прогрева исследуемого издели  при нагреве поверхности издели  до температуры Т2

Вход щие в расчетные формулы параметры hT и Sn можно определить экспериментально или расчетным путем. В первом случае параметр hT определ ют путем удалени  сфокусированного на поверхность издели  без покрыти  термоприемника от п тна нагрева до тех пор, пока значение контролируемой избыточной температуры не станет равной величине чувствительности t контрольно-измерительной аппаратуры Найденное рассто ние х равно величине глубины прогрева исследуемого тела пт. Аналогично на изделии с покрытием определ етс  рассто ние х, а параметр площади Sn рассчитываетс  по формуле Sn .

Име  информацию о теплофизических свойствах Я и а издели  или покрыти , а также о мощности теплового воздействи , параметр hT можно определить расчетным путем, использу  выражение дл  температурного пол  в исследуемом полубесконечном а тепловом отношении теле при импульсном тепловом воздействии, которое имеет вид

-Ст ( л: а )

У2

(7)

ХехР(-41)

Приравн в выражение (7) величине Ј, численным методом наход т значение рассто ни  х, которое будет равно глубине прогрева тела издели  Ьт. Аналогично можно рассчитать и параметр Sn.

Таким образом, определив экспериментально количество тепловых импульсов ni и П2, зна  мощность тепловых импульсов, теп- лофизические свойства материалов издели  и покрыти , и определив параметры, характеризующие геометрические размеры участка издели , подверженного тепловому воздействию, по формуле (4) или (6) можно определить искомую величину толщины пленочного покрыти .

Устройство состоит из источника 1 инфракрасного излучени , сфокусированного на поверхность исследуемого издели 1 2 в виде п тна заданного диаметра, термоприемника 3, расположенного над поверхностью исследуемого издели  и сфокусированного на центр п тна нагрева. Термопри- емнмк подключен к входам компараторов 4 и 5, выходы которых подключены к двум входам ключа б, третий вход которого соединен с генератором 7 тактовых импульсов. Выход ключа 6 подключен к счетному входу счетчика 8, выходы разр дов которого соединены с информационными входами цифрового регистратора 9. Кроме того, генератор тактовых импульсов соединен с источником 10 импульсов заданной мощности и длительности, выход которого подключен к инфракрасному излучателю 1.

Запуск устройства осуществл етс  оператором по входу 11 импульсом управлени . Импульсы с генератора 7 поступают на источник 10 импульсов с задан ной мощностью и длительностью, при этом на исследуемый объект от источника 1 воздействует импульсное инфракрасное излучение. Термоприемник 3 преобразует интенсивность инфракрасного излучени  с контролируемого участка в напр жение посто нного тока, которое подаетс  на входы компараторов 4 и

5, где непрерывно сравниваетс  с опорными напр жени ми уставок Ui и U2, моделирующими значени  температур TI и Tz.

В момент равенства контролируемой температуры заданному значению TI компаратор 4 переключаетс  в состо ние логической 1, при этом открываетс  ключ 6, так как у компаратора 5 выход инверсный, поэтому в исходном состо нии, т.е. когда значение контролируемой температуры на его

входе меньше уставки Т2. на его выходе присутствует логическа  1. При этом импульсы с генератора 7 поступают на суммирующий счетчик 8. В момент равенства контролируемой температуры второму

заданному значению Тг переключаетс  компаратор 5 и закрывает ключ 6. При этом информаци  о числе импульсов П2 из счетчика 6 по информационным входам заноситс  в цифровой регистратор 9, откуда может

быть считана в любое врем  после окончани  эксперимента, Следующее измерение производ т на изделии с покрытием аналогично описанной последовательности операций . При этом в цифровом регистраторе

фиксируетс  информаци  о числе тепловых импульсов , которые нанос тс  на поверхность исследуемого издели  при его нагреве от Ti до Т2, Далее, использу  найденные значени  m и П2, а также информацию о

мощности тепловых импульсов q0, теплофизических свойствах материалов издели  и покрыти , геометрических размерах участка и объема издели , подверженного тепловому воздействию, по программе,

построенной в соответствии с формулами (4) и (6), рассчитываетс  значение искомой толщины покрыти  издели .

Предлагаемый способ позвол ет регистрировать измерительную информацию в

дискретной (цифровой) форме, точность и помехозащищенность которой по сравнению с аналоговой информацией значительно выше, так как, например общее количество тепла, подведенное в изделие

дл  нагрева его в заданном интервале температур составл ет величину Q ni/q0.

Если Q измер етс  с погрешностью ±1 %, то параметр q0, вход щий в расчетную формулу (4) при количестве импульсов п , будет вносить погрешность ±0,01 %. Кроме того, абсолютна  погрешность определени  числа тепловых импульсов при нагреве издели  в заданном температурном

режиме будет составл ть ±1 импульс, отсюда относительна  погрешность д ( Д П ) определени  информативного параметра будет равна 1/ Дт, т.е. 5(Дп)1/Дп. Поскольку в эксперименте мощность q0 берет- с  небольшой при достаточно высокой частоте следовани  тепловых импульсов, то значение параметра Дп обычно составл ет не менее 100 единиц, вследствие чего относительна  погрешность его определени  также будет составл ть доли процента.

Преимуществом предложенного способа также  вл етс  то, что на информативный параметр Дп не оказывает вли ни  начальна  температура исследуемого издели  Т0, так как число импульсов Дп фиксируетс  в интервале ДТ Т2-Т1, величины Ti и Та всегда значительно выше начальной температуры То, поэтому начальное значение температур То не вли ют на число Дп. Это также повышает точность и помехозащищенность предложенного способа, расшир ет его функциональные возможности, повышает оперативность измерений за счет

сокращени  времени на подготовительные

операции эксперимента (термостатирова- ние изделий, определение начальных значе ний параметров эксперимента и точек

отсчета и т.д.).

Предложенное устройство позвол ет значительно повысить точность измерени , так как его блоки позвол ют регистрировать и обрабатывать измерительную информацию в дискретной форме, что в значительной степени повышает иомехозащи- щенность и достоверность результатов.

Claims (2)

1. Формула изобретени  1. Способ бесконтактного неразрушающего контрол  толщины пленочных покры- тий изделий, заключающийс  в том, что участок поверхности издели  нагревают воздействием источника инфракрасного излучени , дистанционно измер ют интенсивность инфракрасного излучени  с этого

   0

   5 0

   5

   0 5

   0 5

   участка и по результатам измерений определ ют толщину покрыти , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности, участок поверхности издели  нагревают импульсами излучени  заданной мощности, длительности и частоты следовани , интенсивность инфракрасного излучени  измер ют в центре участка, сравнивают эту интенсивность с заданными нижним и верхним пороговыми значени ми, выбранными соответственно из условий превышени  на заданную величину начального инфракрасного излучени  участка и ограничени  максимальной интенсивности величиной, при которой источник инфракрасного излучени  не оказывает разрушающего воздействи  на изделие, подсчитывают число импульсов излучени , проход щее за врем  перехода от нижнего порогового значени  интенсивности до ее верхнего значени , и по этому числу определ ют толщину покрыти .
2. 2. Устройство дл  бесконтактного неразрушающего контрол  толщины пленочных покрытий изделий, содержащее источник и приемник инфракрасного излучени  и первый компаратор, соединенный своим входом с выходом приемника, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности, оно дополнительно снабжено вторым компаратором с инверсным выходом, генератором тактовых импульсов, ключом с трем  входами, соединенными соответственно с выходами генератора тактовых импульсов и обоих компараторов, счетчиком, счетный вход которого соединен с выходом ключа, и цифровым регистратором, информационные входы которого соединены с выходами разр дов счетчика источник инфракрасного излучени  выполнен в виде источника импульсов излучени  заданной мощности и длительности с управл ющим входом, соединенным с выходом генератора тактовых импульсов, а вход второго компаратора соединен с выходом приемника инфракрасного излучени .

   limillimimiimmmmi

   Т0 Т

   Тс лохры/пив/г

   похрь/тм

   Т®

   П№

   г