Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния электромагнитных методов и приборов контроля толщины покрытий и стенок изделий 14
1.1. Классификация материалов и изделий, анализ задач измерения толщины 14
1.2. Обобщенная структура задач измерения толщины стенок изделий 26
1.3. Обобщенная структура задач измерения толщины покрытий 28
1.4. Анализ современного состояния основных методов неразрушающего контроля и возможности их использования для измерения толщины стенок изделий и защитных покрытий и их сравнительные характеристики 31
1.5. Анализ современного состояния приборов электромагнитного неразрушающего контроля и мониторинга толщины покрытий и стенок изделий 39
1.6. Постановка задач исследований 64
Глава 2. Теоретическое обоснование электромагнитных методов контроля толщины покрытий и стенок изделий с обеспечением заданной достоверности результатов измерения 67
2.1. Теоретическое обоснование вихретокового вида неразрушающего контроля толщины стенок изделий и защитных покрытий. Анализ применимых методов, контролируемых и мешающих параметров 67
2.1.1. Общая характеристика вихретокового вида неразрушающего контроля 67
2.1.2. Вихретоковый фазовый метод измерения толщины электропроводящих ферро- и неферромагнитных покрытий 78
2.1.3. Вихретоковый амплитудный метод измерения толщины диэлектрических покрытий на электропроводящих основаниях 80
2.1.4. Вихретоковый амплитудно - фазовый метод измерения толщины покрытий на электропроводящих основаниях 81
2.1.5. Вихретоковый частотный метод измерения толщины диэлектрических и электропроводящих покрытий на электропроводящих основаниях 83
2.1.6. Вихретоковые фазовый и амплитудно - фазовый методы измерения толщины стенок электропроводящих изделий 86
2.1.7. Вихретоковый фазовый метод измерения остаточной толщины слоев многослойных электропроводящих неферромагнитных изделий и глубины залеганий расслоений углепластиковых изделий 89
2.1.8. Обобщенные структурные схемы вихретоковых фазового, амплитудно-фазового и частотного толщиномеров. Контролируемые и мешающие параметры 92
2.2. Магнитоиндукционный метод неразрушающего контроля толщины покрытий и стенок изделий. Анализ метода, контролируемых и мешающих параметров 94
2.2.1. Общая характеристика магнитоиндукционного метода измерения толщины покрытий 94
2.2.2. Обобщенная структура измерительного преобразователя магни-тоиндукционных толщиномеров 97
2.2.3. Обобщенная структурная схема магнитоиндукционного толщиномера. Контролируемые и мешающие параметры 102
Выводы к главе 2 104
Глава 3. Методические принципы построения и расчета измерительных преобразователей толщиномеров покрытий и стенок изделий, методы преобразования и обработки измерительной информации 105
3.1. Методические принципы построения вихретоковых измерительных преобразователей и оптимизация их характеристик 105
3.2. Основные методические принципы построения вихретоковых толщиномеров, обеспечивающих подавление мешающих параметров 115
3.3. Геометрически и электрически подобные вихретоковые первичные измерительные преобразователи 125
3.4. Разработка и оптимизация методик и алгоритмов измерения толщины покрытий и стенок изделий, обеспечивающих подавление влияния мешающих параметров на результаты измерения 133
3.5. Методические принципы построения магнитоиндукционных измерительных преобразователей и оптимизация их характеристик 193
3.6. Оптимизация параметров геометрически подобных магнитоиндукционных первичных измерительных преобразователей с внешним ферромагнитным экраном 205
3.7. Разработка алгоритмов возбуждения магнитного поля и обработки первичной измерительной информации, обеспечивающих подавление влияния мешающих параметров 242
Выводы к главе 3 251
Глава 4. Метрологическое обеспечение требуемой достоверности измерений толщины покрытий и стенок изделий 253
4.1. Основные принципы стандартизации в области измерения толщины защитных покрытий и стенок изделий 253
4.2. Жизненные циклы толщиномеров покрытий и стенок изделий 254
4.3. Схемы передачи размеров толщины покрытий. Выбор характеристик и установление номенклатуры наборов мер толщины покрытий 258
4.4. Разработка и исследование мер толщины металлических и диэлектрических покрытий 262
4.5. Характеристики толщиномеров и параметры объектов контроля, определяющие достоверность результатов измерений толщины 275
Выводы к главе 4 284
Глава 5. Экспериментальные исследования методов, многофункциональных приборов и систем мониторинга толщины покрытий и стенок изделий 285
5.1. Многофункциональные электромагнитные приборы измерения геометрических параметров изделий 285
5.2. Толщинометрия диэлектрических покрытий общего назначения 294
5.3. Толщинометрия специальных покрытий и стенок изделий большой толщины 301
5.4. Толщинометрия металлических покрытий 310
5.5. Толщинометрия многослойных покрытий 318
5.6. Меры толщины покрытий электромагнитных толщиномеров 326
5.7. Толщинометрия стенок изделий из электропроводящих неферромагнитных материалов 332
5.8. Методики и аппаратура сканирования при толщинометрии покрытий и стенок изделий 336
5.9. Обработка, представление и хранение измерительной информации при толщинометрии покрытий и стенок изделий 343
Выводы к главе 5 347
Заключение 348
Список литературы 350
- Анализ современного состояния основных методов неразрушающего контроля и возможности их использования для измерения толщины стенок изделий и защитных покрытий и их сравнительные характеристики
- Методические принципы построения вихретоковых измерительных преобразователей и оптимизация их характеристик
- Разработка и исследование мер толщины металлических и диэлектрических покрытий
- Меры толщины покрытий электромагнитных толщиномеров
Введение к работе
Актуальность работы. Проблема обеспечения надежности и безопасности изделий машино-, судо-, авиа-, ракетостроения и энергетики с учетом все возрастающих эксплуатационных требований и экономической эффективности в условиях конкуренции производителей становится все более актуальной.
Жесткие условия эксплуатации, воздействие высоких и низких температур, нагрузок, различных агрессивных веществ, предъявляют высокие требования к защитным покрытиям, что обусловливает большую гамму применяемых материалов и технологий их нанесения. Эффективность использования покрытия оценивается как комплекс функциональных свойств (противокоррозионных, декоративных, износостойких и пр.) на протяжении срока службы. При этом толщина покрытий рассматривается как определяющий функциональный параметр.
Огромную роль в обеспечении нормируемой расчетной конструктивной прочности изделий играет толщина их стенки. Отклонение толщины стенки изделия от заданных значений в процессе производства является грубым дефектом, ее контроль является важной технологической операцией. Кроме того, толщина стенки изделий играет важную роль в обеспечении долговечности изделия, так как в процессе эксплуатации может изменяться вследствие эрозии, коррозии и механических повреждений. В ряде случаев это приводит к авариям и катастрофам. Поэтому проведение контроля толщины стенки изделий в процессе производства и эксплуатации является важнейшей технологической операцией.
При производстве крупногабаритных изделий все большее распространение находят композиционные (в том числе углепластиковые) материалы, требующие обязательного контроля их толщины, как одного из определяющих параметров их жесткости.
В настоящее время для измерения толщины покрытий предлагаются методы магнитного, вихретокового и радиационного видов НК. Для контроля толщины стенок изделий применяют методы акустического и вихретокового видов НК, радиометрический метод, и, в ряде случаев, методы магнитного вида НК.
Анализ показывает, что для большинства задач измерения толщины покрытий и стенок изделий представляется возможным использование электромагнитных методов, основанных на вихретоковом и магнитном видах НК. Достоинством их использования является воз-
можность применения при одностороннем доступе, локальность, высокие потенциальные точность и достоверность.
Значительный вклад в развитие электромагнитных методов внесли отечественные и зарубежные ученые и специалисты: В.Г. Герасимов, Э.С. Горкунов, В.К Гарипов, И.В. Голубятников, А.Л. Дорофеев, А.Г. Ефимов, Н.Н. Зацепин, В.Д. Ивченко, А.И. Крашенинников, В.В. Клюев, М.Н. Михеев, Ю.Я. Останин, А.Д. Покровский, Н.М. Роди-гин, А.Б. Сапожников, В.В. Слепцов, В.В. Сухоруков, В.В. Филинов, Л.А. Чернов, В.Е. Шатерников, Г.С.Шелихов, Ю.М. Шкарлет, П.Н. Шкатов, Е.В. Щербинин, Ф. Ферстер, Д. Вайделих, и другие.
Актуальной задачей дальнейшего совершенствования электромагнитных методов является разработка новых оптимальных геометрически и электрически подобных измерительных преобразователей и алгоритмов получения первичной измерительной информации, преобразования и последующей тестовой обработки (расчета толщины) с подавлением мешающих параметров. Для обеспечения требуемой достоверности результатов измерений необходимо произвести теоретический анализ моделей измерительных преобразователей, рассчитать их оптимальные характеристики, разработать алгоритмы преобразования и методики применения при производстве и эксплуатации изделий, в том числе для мониторинга в процессе эксплуатации, решить вопросы метрологического обеспечения преобразователей и приборов, эталонных мер толщины покрытий и изделий, их сертификации.
Цель работы - повышение эффективности и достоверности комплексного контроля толщины защитных покрытий изделий, а также толщины стенок неферромагнитных электропроводящих и диэлектрических изделий путем применения методов вихретокового и магнитного видов НК при обеспечении заданных погрешности и достоверности результатов контроля.
Идея работы. Электромагнитные методы и приборы, основанные на моделях распределения электромагнитного поля в вихретоковых и магнитоиндукционных преобразователях, позволяют эффективно осуществлять неразрушающий контроль толщины покрытий и стенок изделий с заданной погрешностью и улучшать их качество.
Достоверность результатов диссертационной работы базируется на строгих теоретических подходах, адекватных математических моделях измерительных преобразователей, построенных на их основе, которые подтверждены теоретическими и экспериментальными иссле-
дованиями разработанных приборов, преобразователей, эталонных мер толщины и методик их применения в лабораторных условиях и на ведущих предприятиях.
Задачи исследований:
анализ современного состояния методов и приборов, предназначенных для решения задач измерения толщины покрытий и стенок изделий современной техники;
теоретическое обоснование применимости методов вихретоко-вого вида НК для решения рассматриваемых задач и произведение анализа контролируемых и мешающих параметров;
теоретическое обоснование применимости магнитоиндукцион-ного метода для решения рассматриваемых задач и произведение анализа контролируемых и мешающих параметров;
анализ возможных структур вихретоковых измерительных преобразователей и разработка схемы измерительных преобразователей, принципов оптимизации их характеристик, методик получения и преобразования первичной измерительной информации и алгоритмов функционирования, обеспечивающих требуемую чувствительность в заданном диапазоне измерения, а также подавление мешающих параметров при измерении толщины покрытий и стенок изделий;
разработка модели магнитоиндукционного измерительного преобразователя, принципов его оптимизации, расчет характеристик семейства геометрически подобных первичных преобразователей с разбиением на группы по задачам измерения, а также разработка методики получения и преобразования первичной измерительной информации и алгоритмов функционирования, обеспечивающих требуемую чувствительность в заданном диапазоне измерения, а также подавление мешающих параметров при измерении толщины покрытий и стенок изделий;
анализ физических и геометрических характеристик контролируемых изделий, условий проведения измерений и формирование требований к эталонным мерам толщины покрытий и изделий, обеспечивающих требуемую достоверность результатов при градуировке, поверке, калибровке и измерениях. На основании требований разработка технологии изготовления и выпуск комплекта эталонных металлических и диэлектрических мер толщины;
разработка многофункционального электромагнитного прибора и комплекта вихретоковых и магнитоиндукционных измерительных
преобразователей к нему для измерения толщины номенклатуры защитных покрытий и стенок диэлектрических и электропроводящих неферромагнитных изделий при изготовлении и эксплуатации;
комплексные экспериментальные исследования электромагнитного прибора и первичных измерительных преобразователей на эталонных мерах толщины и реальных изделиях в лабораторных и производственных условиях;
разработка методик градуировки, поверки, калибровки и проведения измерений, в том числе, с использованием автоматизированных систем сканирования, сбора, обработки, хранения и представления результатов;
организация серийного производства приборов, первичных измерительных преобразователей и эталонных мер толщины, проведение их государственные испытания и организация метрологической службы для первичной и периодической поверок;
внедрение приборов и автоматизированных системы на их базе на ведущих предприятиях машино-, судо-, авиа- и ракетостроения.
Научная новизна работы:
разработаны модель и теоретические положения, на основании которых рассчитаны оптимальные параметры геометрически подобных магнитоиндукционных первичных измерительных преобразователей для измерения толщины диэлектрических и электропроводящих нефер-ромагнитых покрытий в широком диапазоне толщин;
разработаны принципы построения измерительных магнитоиндукционных преобразователей, формирования пробной энергии и тестовые алгоритмы обработки первичной измерительной информации, позволяющие подавить мешающие параметры в широком диапазоне их вариации;
выполнен теоретический и экспериментальный анализ задачи измерения электропроводящих неферромагнитных покрытий на изделиях из цветных металлов с использованием вихретоковых частотных преобразователей, получены зависимости чувствительности и погрешности измерения от контролируемого и основных мешающих параметров, обоснованы возможные области их применения;
- на основании теоретического анализа показана возможность
выбора положения начальных точек отсчета на комплексной плоскости
для вихретоковых фазовых и амплитудно-фазовых преобразователей,
обеспечивающих подавление мешающих параметров при измерениях, и
разработана методика их расчета;
сформирована модель вихретовового амплитудно - фазового преобразователя, выполнены анализ и количественная оценка влияния мешающих параметров, на основании результатов которых разработан и запатентован универсальный совмещенный вихретоковый амплитудно-фазовый вторичный измерительный преобразователь, а также разработано семейство геометрически и электрически подобных первичных измерительных преобразователей;
разработаны теоретические положения, структура измерительного преобразователя, а также запатентован способ измерения толщины электропроводящих неферромагнитных покрытий на электропроводящих неферромагнитных основаниях вихретоковым амплитудно - фазовым методом;
выполнен теоретический анализ задачи измерения толщины электропроводящих неферромагнитных изделий, в том числе углепла-стиковых, с использованием вихретоковых фазовых и амплитудно-фазовых преобразователей, разработаны методики выбора оптимальных параметров и совмещенные измерительные преобразователи;
разработаны модель и основные теоретические положения, описывающие вихретоковый линейный фазовый преобразователь над электропроводящим неферромагнитным изделием, рассчитаны универсальные зависимости, описывающие его работу и позволяющие определить его оптимальные параметры при контроле глубины расслоений угле-пластиковых материалов;
- выполнены теоретический и экспериментальный анализ ме
шающих параметров, теоретический анализ задачи обеспечения задан
ной достоверности измерения толщины покрытий и изделий, на осно
вании которых сформулированы требования и разработаны методики
изготовления эталонных мер толщины металлических и диэлектриче
ских покрытий, а также методики градуировки, поверки и калибровки
первичных измерительных преобразоватетелей в составе электромаг
нитных толщиномеров;
разработаны методики измерения толщины защитных покрытий всех типов (также многослойных) на электропроводящих ферро- и неферромагнитных материалах с подавлением мешающих параметров;
разработаны методики измерения толщины диэлектрических и электропроводящих неферромагнитных изделий с подавлением мешающих параметров, в том числе с использованием автоматизирован-
ных систем сканирования, сбора и представления информации. Научные положения, выносимые на защиту:
-
Разработанные модели, принципы построения и оптимизации электрически и геометрически подобных фазовых и амплитудно-фазовых вихретоковых первичных измерительных преобразователей и способы их балансировки учитывают влияние контролируемых и мешающих параметров, а выявленные универсальные зависимости параметров и характеристик позволяют на их основе разработать измерительные преобразователи, обеспечивающие заданные чувствительность и достоверность измерений толщины металлических покрытий и стенок изделий при подавлении влияния мешающих параметров в широких диапазонах их вариации.
-
Теоретически и экспериментально подтвержденная возможность измерения толщины электропроводящих неферромагнитных покрытий на изделиях из цветных металлов с использованием вихретоковых частотных преобразователей и полученные графические зависимости могут быть использованы для оценки чувствительности и погрешности измерения от контролируемого и основных мешающих параметров и обоснования области их применения.
-
Разработаная модель вихретокового линейного фазового преобразователя над многослойным электропроводящим изделием, учитывающая взаимодействие электромагнитного поля с электропроводящим неферромагнитным полупространством, обеспечивает возможность выявления расслоений углепластиковых материалов путем получения универсальных зависимостей, позволяющих определить оптимальные параметры преобразователя при контроле глубины залегания расслоений углепластиковых материалов.
-
Принципы построения модели, расчета и оптимизации магнитной системы позволяют разработать семейство геометрически подобных абсолютных магнитоиндукционных первичных измерительных преобразователей для толщиномеров защитных покрытий, обеспечивающих, при заданных габаритах, максимальную чувствительность в требуемых диапазонах измерения с разбиением на группы по назначению, а разработанная структура магнитоиндукционного измерительного преобразователя и принципы формирования импульсного магнитного поля, отличного от гармонического синусоидального, а также использование в качестве первичного информативного параметра площадей наведенных ЭДС, в совокупности с тестовыми методами обработки
первичной измерительной информации, обеспечивают подавление влияния мешающих параметров в широком диапазоне их вариации при измерении толщины неферромагнитных покрытий и изделий.
5. Разработанные и аттестованные комплекты металлических и диэлектрических эталонных мер толщины, толщиномеры и преобразователи, методики градуировки, двухточечной и одноточечной калибровки, контроля и мониторинга (в том числе с использованием автоматизированных систем) обеспечивают заданные достоверность и производительность измерений в цеховых и полевых условиях.
Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в разработке и апробации:
способов и методик измерения толщины защитных покрытий на металлических и диэлектрических изделиях с подавлением мешающих параметров;
способов и методик измерения толщины стенок диэлектрических и электропроводящих неферромагнитных изделий с подавлением мешающих параметров;
многофункциональных электромагнитных толщиномеров "Константа К5" и "Константа Кб" и комплектов магнитоиндукционных, вих-ретоковых частотных, фазовых и амплитудно-фазовых преобразователей для измерения толщины защитных металлических и диэлектрических покрытий (от 1 мкм до 180 мм), а также толщины стенок диэлектрических и электропроводящих неферромагнитных металлических и углепластиковых изделий в диапазоне от нескольких мкм до 120 мм;
эталонных мер толщины металлических и диэлектрических покрытий, обеспечивающих требуемые достоверность градуировки, поверки, калибровки и измерений с использованием магнитоиндукционных, вихретоковых частотных, фазовых и амплитудно-фазовых измерительных преобразователей;
программно-аппаратных автоматизированных систем сканирования, сбора, обработки и представления результатов измерений, в том числе для мониторинга толщины покрытий и стенок крупногабаритных изделий в процессе производства и эксплуатации;
методик измерений защитных покрытий и стенок изделий для ведущих предприятий энергетического комплекса, машино-, ракето-, судо- и авиастроения;
результатов диссертационных исследований, используемых в учебном курсе "Методы и приборы контроля размеров" по специально-
сти 200100 «Приборостроение» в Национальном минерально-сырьевом университете "Горный".
Личный вклад автора в работу. Диссертация является итогом более чем двадцатилетней работы автора по тематике, связанной с проблемой комплексного, а том числе автоматизированного, контроля и мониторинга качества защитных покрытий, а также стенок изделий из металлических и композиционных материалов в процессе производства и эксплуатации. Автор диссертации осуществлял постановку задач исследований, непосредственно участвовал в разработке моделей, постановке задач расчетов, разработке методик экспериментов, проведении измерений, интерпретации полученных результатов и создании на этой основе соответствующих моделей изучаемых объектов контроля, разработке средств измерения и методик их градуировки, поверки, калибровки и проведения измерений, установил новые зависимости.
Реализация (внедрение) результатов работы. Результаты диссертационной работы были переданы для разработки многофункциональных приборов контроля геометрических параметров изделий серии «Константа» и автоматизированных систем контроля. Произведено более 6000 приборов, которые используются на таких ведущих предприятиях России как ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, ОАО «Судостроительный завод Северная верфь», ОАО «Воронежское авиастроительное общество», ОАО «Ульяновский завод Авиастар» и др., стран СНГ, а также ряде предприятий Европы и Азии.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 47 конференции Британского института неразрушающего контроля NDT 2008 (Cheshire, 2008); 17 Всемирной конференции по неразрушающему контролю WCNDT 2008 (Shanghai, 2008); отраслевой научно-технической конференции «антикоррозионная защита 2010» (Москва, 2010); на 10 Европейской конференции по неразрушающему контролю ECNDT 2010 (Москва, 2010); XIX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (Самара, 2011); 50 конференции Британского института неразрушающего контроля NDT 2011 (Telford, 2011); отраслевой научно-технической конференции «антикоррозионная защита 2012» (Москва, 2012); 18 Всемирной конференции по неразрушающему контролю WCNDT 2012 (Durban, 2012); 51 конференции Британского института неразрушающего контроля NDT 2012 (Northamptonshire, 2012).
Результаты диссертации в полной мере освещены в 41 печатной работе, из них 2 монографии, 15 научных статей в 5-ти рецензируемых научных журналах, входящих в перечень изданий ВАК Ми-нобрнауки России, 7 авторских свидетельств и 3 патента на изобретения.
Объем и структура. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации 359 страниц и список используемых источников из 184 наименований. В состав основной части входят 292 рисунка и 17 таблиц.
Анализ современного состояния основных методов неразрушающего контроля и возможности их использования для измерения толщины стенок изделий и защитных покрытий и их сравнительные характеристики
К методам неразрушающего контроля относят методы, в которых используют проникающие поля, излучения и вещества для получения информации о качестве исследуемых материалов и объектов. В соответствии с ГОСТ 18353-79 НК, в зависимости от физических явлений, положенных в его основу, разделяют на девять видов: магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический и проникающими веществами [28]. Каждый вид НК осуществляют методами, классифицируемыми по следующим признакам [123]:
- характеру взаимодействия физических полей или веществ с контролируемым объектом;
- первичным информативным параметрам;
- способам получения первичной информации.
Перед рассмотрением применимости видов НК и методов для решения описанных выше задач измерения сделаем следующее допущение: часть задач толщи-нометрии покрытий можно рассматривать как задачи измерения толщины стенок изделий. С учетом этого, рис. 1.1 и рис. 1.2 иллюстрируют возможность применения методов известных видов НК для измерения толщины покрытий и изделий [24, 79].
Акустический (ультразвуковой) неразрушающий контроль - вид НК, основанный на регистрации параметров упругих колебаний, возбуждаемых и (или) возникающих в объекте контроля. Ультразвуковой вид НК применим для контроля стенок изделий, хорошо проводящих акустические колебания и имеющих участки, сопрягаемые с телами или газами, имеющими отличающиеся акустические свойства. В зависимости от задачи контроля (исследований) могут применяться различные режимы возбуждения ультразвуковых колебаний и, соответственно, различные первичные информативные параметры [57, 72].
С использованием методов акустического вида НК можно производить измерение [32, 79, 124]:
- толщины стенок металлических и неметаллических изотропных изделий в диапазоне от десятых долей мм до сотен мм;
- толщины диэлектрических покрытий на основаниях с сильно отличающимися акустическими свойствами в диапазоне от сотых долей мм до нескольких мм;
Достоинством методов акустического вида НК является практически полная независимость результатов измерения от электрических и магнитных свойств объекта контроля. Недостатками являются зависимость показаний от радиуса и шероховатости поверхности, изотропности структуры материала изделия, а также необходимость обеспечения хорошего акустического контакта при измерениях.
Измерительные преобразователи могут строиться на базе эхо-метода, резонансного метода и др.
Радиационный неразрушающий контроль - вид НК, основанный на регистрации и анализе параметров ионизирующего излучения после его взаимодействия с объектом контроля. Радиационный контроль в основном использует фотонное (в том числе рентгеновское), нейтронное и электронное излучение [27, 71].
Рентгеновский флуоресцентный метод - радиометрический метод неразру-шающего контроля, предназначенный для измерения толщины диэлектрических и электропроводящих тонких и сверхтонких пленочных материалов и покрытий. Meтод оптимален для измерения толщины листовых материалов (пленок) и покрытий из драгоценных и дорогостоящих металлов, наносимых электропроводящие и диэлектрические основания, особенно малоразмерные.
Метод также применим для измерения толщины покрытий из металлов общей группы.
Радиометрический - отражения метод, в основе которого явление поглощения и рассеяния (отражения) излучения, падающего на объект контроля или изделие с покрытием. Оптимален для одностороннего измерения толщины защитных покрытий различного назначения на плоских и квазиплоских изделиях из металлических и неметаллических материалов.
С использованием метода можно производить измерение:
- толщины пленочных материалов в диапазоне от десятых долей мкм до сотен мкм;
- толщины диэлектрических и металлических покрытий, в том числе многослойных, на металлических и диэлектрических основаниях в диапазоне от сотых долей мкм до сотен мкм.
Достоинством радиометрических методов НК является практически полная независимость результатов измерения от электрических и магнитных свойств объекта контроля, возможность измерения толщин менее одного мкм, а также многослойных покрытий. Одним из главных достоинств является возможность бесконтактных измерений. Недостатком является зависимость показаний от марки материала. Также к недостаткам следует отнести то, что в большинстве своем приборы являются стационарными и позволяют проводить измерения на малоразмерных изделиях в лабораторных условиях. Применение в цеховых условиях ограничивается необходимостью обеспечения радиационной безопасности при измерениях.
Оптический неразрушающий контроль - вид НК, основанный на анализе взаимодействия оптического излучения с объектом контроля. Методы оптического вида НК могут применяться для измерения толщины оптически прозрачных листовых материалов и покрытий. В этом случае можно говорить о методах, основанных на регистрации параметров оптического излучения, взаимодействующего с верхней (наружной) и внутренней поверхностью (для листовых материалов и покрытий). Оптические методы обладают высокой разрешающей способностью благодаря высокой частоте электромагнитного излучения в оптическом диапазоне [79].
Оптические методы можно применять для измерения толщины покрытий, обладающих хорошими оптическими свойствами и полученными на хорошо подготовленной поверхности. Покрытия могут быть прозрачными (анодноокисные, лаковые, пластиковые, стеклянные и др.), полупрозрачными (эпоксидные и др.) и непрозрачными в оптическом диапазоне. Большинство оптических методов вследствие сложности расчета и применяемой аппаратуры используются лишь в лабораторных условиях для выборочного контроля или для проведения специальных исследовательских работ.
С использованием приборов, основанных на оптических методах возможно измерение толщины оптически прозрачных материалов и покрытий в диапазоне от сотых долей мкм до нескольких мм.
Достоинством оптических методов НК является высокая разрешающая способность и возможность измерения толщин, значительно меньших 1 мкм. К недостаткам следует отнести то, что приборы, основанные на указанных выше методах, являются в абсолютном большинстве стационарными, применимыми в условиях, близких к лабораторным [79].
Радиоволновой неразрушающий контроль - вид НК, основанный на регистрации изменений параметров электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с объектом контроля. Обычно используются волны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона (частоты/= 3- 10 ...3-10 Гц). Методы радиоволнового вида НК используются для измерения толщины изделий из материалов с малым затуханием радиоволн: диэлектриков (пластмасс, керамики, стеклопластиков), маг-нитодиэлектриков (ферритов), полупроводников. По характеру взаимодействия с ОК различают методы прошедшего, отраженного, рассеянного излучений и резонансный (соответственно, по первичным информативным параметрам: амплитудный, поляризационный, амплитудно-фазовый: частотно-фазовый и геометрический методы). Методы радиоволнового вида НК в основном применяются в поточных производствах для измерения толщины листовых радиопрозрачных материалов, измерения толщин стенок изделий из стеклопластиковых анизотропных материалов, толщины стенок изделий из ПКМ в процессе их формования, а также толщины изотропных диэлектрических покрытий на металлических основаниях в диапазоне от нескольких мм до сотен мм [79, 184].
Достоинством данного вида НК является отсутствие контакта преобразователей с изделием при измерениях, возможность проведения измерений движущихся объектов. Недостатком является то, что наличие дефектов в исследуемых изделиях приводит к появлению дополнительных отражений электромагнитного ПОЛЯ и, соответственно, к дополнительной погрешности измерений. Также недостатками радиоволнового вида НК являются сравнительно большие габариты преобразователей, относительно низкие разрешающая способность и локальность устройств, реализующих его методы.
Методические принципы построения вихретоковых измерительных преобразователей и оптимизация их характеристик
Разнообразие задач измерения толщины защитных покрытий и стенок изделий предполагает несколько возможных исполнений первичных измерительных преобразователей, которые можно разделить по нескольким признакам [140].
По взаимному расположению обмоток и объекта контроля на:
- накладные (используемые для проведения измерения толщины покрытий и изделий при одностороннем доступе);
- экранные (предполагающие расположение обмоток с противоположных сторон листовых материалов или стенок изделия);
- проходные (используемые для проведения измерений изнутри и снаружи труб);
- комбинированные (комбинации вышеперечисленных типов). По количеству и назначению обмоток на:
- однообмоточные (параметрические, чаще всего частотные);
- трансформаторные;
- дифференциальные;
- абсолютные.
По наличию и типу сердечника:
- с неферромагнитным сердечником;
- с ферритовым сердечником .
По наличию и типу внешнего экрана на:
- неэкранированные;
- экранированные ферритовым экраном;
- экранированные стальным разрезным экраном;
- экранированные стальным цельным экраном;
- экранированные неферромагнитным разрезным (электростатическим) экраном.
По схеме подключения обмоток и их балансировки на:
- небалансируемые;
- балансируемые витками;
- балансируемые дополнительными ферритовыми сердечниками;
- балансируемые электрическим способом;
Структура и конструкция первичных измерительных преобразователей должны выбираться исходя из задач измерения и особенностей применения.
На рис. 3.1 сведены возможные исполнения первичных измерительных преобразователей по признакам «количество и назначение обмоток» и «расположения обмоток и объекта контроля»: в первом столбце - абсолютные параметрические, во втором - абсолютные трансформаторные, в третьем - дифференциальные параметрические, в четвертом - дифференциальные трансформаторные преобразователи и схемы их подключения. В первой строке изображены накладные (для измерения покрытий при одностороннем доступе), во второй - проходные наружные (для измерения покрытий на протяженных объектах, трубах, прутках), в третьей - проходные внутренние (для измерения покрытий на внутренней поверхности протяженных объектов, труб), в четвертой - экранные преобразователи (для измерения толщины листовых электропроводящих материалов и стенок изделий).
Абсолютные параметрические преобразователи наиболее просты. Они используются относительно редко, обычно в составе с электронным компенсатором. Основное отличие абсолютного трансформаторного преобразователя от параметрического заключается в том, что источник сигнала возбуждения и приемник гальванически развязаны.
Дифференциальные параметрические преобразователи используются только в дефектоскопии для обнаружения несплошностей или неоднородностей.
Дифференциальные трансформаторные преобразователи, так же как и абсолютные используются преимущественно в дефектоскопии. Так же подобные преобразователи используются для измерения толщины специальных покрытий с целью обеспечения приемлемой чувствительности, например, в приборах для измерения толщины плакировки алюминием алюминиевых сплавов.
На рис. 3.2сведены абсолютные параметрические, абсолютные трансформаторные и абсолютные трансформаторные скомпенсированные первичные измерительные преобразователи со схемами их подключения. В первой строке изображены преобразователи с неферромагнитным сердечником, во второй - с ферритным стержневым сердечником, в третьей - с ферритным экраном, в четвертой - со стальным разрезным экраном, в четвертой и пятой- с ферритовым стержневым сердечником и неферромагнитным разрезным экраном.
Преобразователи с неферромагнитными сердечниками применяются относительно редко Главное преимущество таких преобразователей заключается в том, что их характеристики можно рассчитывать достаточно точно. Отсутствие ферромагнитных сердечников предполагает отсутствие нелинейных процессов.
Преобразователи с ферритовыми стержневыми сердечниками позволяют концентрировать магнитное поле, увеличивают индуктивность обмотки, абсолютное значение и приращение величины сигнала преобразователя. Магнитное поле преобразователя с ферритовым стержневым сердечником имеет увеличенную нормальную составляющую магнитной индукции Bz, что приводит к меньшим искажениям поля и изменению диаметра контура наибольшей плотности вихревого тока. У преобразователей с ферритовым сердечником больше чувствительность к информативным параметрам и лучше отстройка от влияния мешающих параметров.
Однако феррит имеет сильную нелинейную зависимость начальной магнитной проницаемости от температуры [158]. На рис. 3.3 изображены зависимости изменения начальной магнитной проницаемости от температуры для наиболее распространенных ферритов марки М2000НМ, термостабильных марки М1500НМЗ и высокочастотных термостабильных марки М20ВН [142].
Как следствие, изменение температуры феррита, неравномерный нагрев или охлаждение могут приводить к искажениям сигналов и к разбалансировке преобразователей. Это особенно критично для преобразователей с раздельными сердечниками для измерительной и компенсационной обмоток.
Вторым существенным недостатком является сильное влияние взаимного расположения феррита и обмоток на выходное напряжение преобразователя.
Разработка и исследование мер толщины металлических и диэлектрических покрытий
Меры толщины металлических покрытий (меры толщины из металлических материалов).
Рассмотрим основные характеристики эталонных мер толщины покрытий из металлических материалов, определяющие их метрологические характеристики и возможность применения.
Мера толщины покрытий из металлических материалов представляет собой физическое тело, воспроизводящее размер толщины покрытия и состоит из покрытия и основания, связанных между собой адгезией.
Поскольку толщина покрытия, воспроизводимая мерой, передается толщиномерам (например, при градуировке или калибровке), то должны быть обеспечены условия выполнения этой процедуры. Для этого первичный преобразователь толщиномера должен иметь возможность сопрягаться с мерой таким образом, чтобы передача информации о толщине покрытия происходила с наименьшими искажениями. Это произойдет в условиях с оговоренными величинами контролируемого и мешающих параметров, нормируемых для процедуры выполнения измерений данным толщиномером. Эти условия традиционно называют нормальными [35].
Всю совокупность мешающих параметров, действующих в процессе измерений толщины покрытий, можно подразделить на геометрические и физические величины. Геометрические величины: толщина основания, площадь (диаметр) зоны измерения, радиус кривизны поверхности изделия и ее шероховатость, расстояние от края, габаритные размеры, отклонение от плоскостности поверхности сторон основания. Физические величины: электропроводность, магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, термоэлектрический коэффициент, атомный номер, показатель преломления, температура, внешние электромагнитные поля, вибрации.
Универсализация эталонных мер толщины покрытий, применяемых для градуировки и поверки толщиномеров требует, чтобы они содержали все мешающие параметры, характерные для толщиномеров, а их значения находились в нормальной области. Эталонные меры толщины покрытий, применяемые для проведения государственных испытаний, должны содержать мешающие параметры в диапазоне их допустимой вариации, оговоренной в технических условиях на толщиномер и преобразователи. Это позволит оценить величины дополнительных погрешностей, возникающих при вариации мешающих параметров [103, 106].
Меры толщины покрытий характеризуются комплексом геометрических величин, и они являются пространственной характеристикой мер.
Для обеспечения правильности измерений мера должна воспроизводить «истинную толщину покрытия». Для поверхности основания по этим условиям можно определить требования к форме. Для пренебрежимо малых отклонений формы и принятого допущения параллельности сторон основания в произвольной /-й точке поверхности покрытия «истинная толщина покрытия» hm = Zm— Z01, где Zm - суммарная толщина покрытия и основания, a Z01 - толщина основания. В процессе измерений определяются значения «действительной толщиной покрытия» /гД1 в / - х точках.
Учитывая, что технология нанесения покрытий не обеспечивает равномерности толщины на всей поверхности, для мер толщины покрытий справедливо соотношение hR тт /гді йд тах, где hR т1П и ha max — наибольшее и наименьшее значения толщины на мере. Характеристиками меры можно считать: среднюю толщину /гдср /гд т1П , /гд тах и среднее квадратическое отклонение (СКО) о.
В толщиномерах покрытий следует нормировать площадь зоны измерения 1, определяемую характеристиками поля первичного измерительного преобразователя, на которой производится интегральная оценка толщины покрытия, поэтому при поверке толщиномеров необходимо, соответственно, знать толщину покрытия на определенной площади меры, не меньшей S.
При конечном числе п точек измерений толщины покрытия на площади значение/гср будем рассматривать как среднее арифметическое значение результатов измерения по этой площади - «номинальным значением меры» /гн-Наряду с «номинальным значением меры» в ряде случаев применяется понятие «нормируемое значение меры» hc.
Таким образом, толщина покрытия меры характеризуется размерами hm, hH , hc. Пределы /гсзадают допусками 5/zc.
Основание меры должно иметь толщину Н, удовлетворяющую условиюЯ Ян,где Нн — нормальное значение толщины основания, зависящее от принципа действия толщиномера, позволяющее рассматривать основание как полупространство.
Габаритные размеры покрытия и основания меры должны удовлетворять следующим условиям (рис. 4.3):
- диаметр покрытия d(B случае круглой формы) или длина стороны а (в случае квадратной формы) должны быть больше диаметра зоны измерения преобразователя для отсутствия влияния краевого эффекта;
- габаритный размер основания должен быть больше габаритных размеров покрытия для возможности механического измерения его толщины.
Аналогичные замечания справедливы и для ступенчатых образцов толщины.
Кроме выше указанных, к геометрическим характеристикам мер также относят шероховатость Rz поверхности основания и покрытия, непрямолинейность и неплоскостность поверхности основания, которые следует также нормировать.
Физические характеристики материалов мер толщины покрытий выбирают в соответствии с принципами измерения толщиномеров, для использования с которыми они предназначены.
Погрешность меры толщины будем рассматривать как разность между номинальным и действительным значением толщины в /-точке поверхности покрытияДм!= /гн - /гДі
Для выборки значений случайной величины/гД , определенных на площади , которые подчиняются нормальному закону распределения, предельные значения погрешности меры Дм; = ± tca, где tc— коэффициент Стьюдента.
Погрешность изготовления и аттестации меры Ам определяется погрешностями:
- А/,от неравномерности толщины покрытия меры;
- ARzo от шероховатости поверхности основания;
- ARzM от шероховатости поверхности покрытия;
- Ац от разброса магнитной проницаемости покрытия и основания;
- Ао0 и Асп от разброса электропроводности покрытия и основания, соответственно;
- AtOT влияния температуры;
- Аст от старения металлов основания и покрытия в процессе эксплуатации;
- Ад от взаимной диффузии металлов покрытия и основания;
- ДА, определяемая методами, используемыми для аттестации меры. Составляющие погрешности являются следствием действия мешающих параметров, поэтому установление нормальной области их значений должно производится по функции влияния каждой из них.
Для поверки тощиномеров следует применять меры, укомплектованные в наборы. Основными характеристиками наборов мер являются: материалы покрытий и оснований, диапазон толщин и ряд номинальных размеров мер, погрешность изготовления мер.
Диапазон толщин покрытий, используемых материалов оснований и покрытий в наборе должен устанавливаться в зависимости от назначения и пределов измерений толщиномеров. Для конкретного типа толщиномера набор мер должен включать ряд номинальных значений мер /zHJ, соответствующих поверяемым точкам j шкалы толщиномера. Число поверяемых точек шкалы и номинальные значения мер в наборе можно определить по результатам исследований толщиномера. Для средств неразрушающего контроля при построении градуировочных характеристик целесообразно иметь более пяти точек (обычно, до 10... 15) [79, 103].
Анализ, выполненный в главе 1, показал, что применяется достаточно большое число материалов металлических покрытий и оснований. Изготовление эталонных и рабочих мер толщины покрытий, в зависимости от числа марок материалов, в общем представляет значительные трудности и требует применения высокоточного оборудования и современных технологических процессов обработки оснований и нанесения покрытий.
Меры толщины покрытий электромагнитных толщиномеров
В общем случае, в соответствии с [5, 34, 36] комплект мер толщины предназначен для хранения, воспроизведения и передачи единицы толщины заданного покрытия на основании из определенного материала.
Однако, в соответствии с требованиями, изложенными выше, для обеспечения заданной достоверности результатов измерения мера толщины, передавая размер физической величины толщиномерам, должна одновременно нести информацию о свойствах материала покрытия и основания, т. е. комплект мер толщины также должен быть предназначен для хранения, воспроизведения и передачи параметра магнитной проницаемости ферромагнитных материалов оснований и покрытий, параметра удельной электропроводности электропроводящих материалов оснований и покрытий, а также, при необходимости, шероховатости и радиуса.
С использованием результатов теоретических исследований, изложенных в разделах 3 и 4 были разработаны комплект рабочей конструкторской документации и технология изготовления мер толщины для электромагнитных толщиномеров. Разработки выполнялись на основании следующих документов: ГОСТ2223 «Контроль неразрушающий. Меры образцовые для поверки толщиномеров покрытий. Общие положения», ГОСТ 25177 «Меры толщины покрытий образцовые. Основные параметры и размеры. Общие технические требования», Р 50.2.206-2001 «Государственная поверочная схема для средств измерений толщины покрытий в диапазоне от 1 до 20 000 мкм» и ГОСТ 8.315 «Стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов. Основные положения».
Таким образом, можно сказать, что разработанный комплект предназначен для хранения и воспроизведения единицы толщины покрытия, состава и свойств материала покрытий и оснований с целью передачи их нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений (толщиномерам).
Комплект мер толщины покрытий включает эталоны второго разряда для проведения процедуры градуировки и поверки средств измерений, а также рабочие эталоны, предназначенные для проведения калибровки и проверки работоспособности средств измерений в производственных условиях.
Комплект мер толщины диэлектрических покрытий (МТ).
Комплект мер толщины диэлектрических покрытий мер толщины диэлектрических покрытий предназначен для проверки работоспособности, калибровки и поверки магнитоиндукционных и вихретоковых частотных толщиномеров.
Меры с номинальными значениями толщины от 0,01 мм до 0,25 мм изготавливаются из полиэтилен-терефталатной пленки и имеют форму прямоугольного параллелепипеда. Меры с номинальным значением толщины от 0,50 мм до 10 мм изготавливаются из органического стекла. Меры с номинальным значениями толщины от 20,00 мм до 120,0 мм изготавливаются из капролона или стеклонаполнен-ного полиамида имеют цилиндрическую форму (табл. 5. 11).
Шероховатость измерительной поверхности Ra, мкм, не более:
- для мер с номинальным значением толщины до 10 мм 0,2;
- для мер с номинальным значением толщины свыше 10 мм 1,6. Наработка на отказ, измерений:
- для мер, изготовленных из полиэтилен-терефталатной пленки 50;
- для мер, изготовленных из органического стекла 1000;
- для мер, изготовленных из капролона 3000.
Условия градуировки и использования при поверке преобразователей:
- диапазон температуры окружающего воздуха, С 20±5;
- диапазон относительной влажности окружающего воздуха, % 60±20.
Комплект натурных мер толщины покрытий типов ферромагнитное покрытие на ферромагнитном основании (МП на МО), ферромагнитное покрытие на неферромагнитном электропроводящем основании (МП на НТО), неферромагнитное электропроводящее покрытие на ферромагнитном основании(НТП на МО), неферромагнитное электропроводящее покрытие на неферромагнитном электропроводящем основании (НТП на НТО).
Комплект натурных мер толщины покрытий предназначен для проверки работоспособности, градуировки, калибровки и поверки магнитоиндукционных и вихретоковых толщиномеров.
Основание меры изготовлено из материала определенной марки.
На основание нанесено определенное покрытие, технологический процесс нанесения которого соответствует заданным стандарту или техническим условиям.
На боковой поверхности меры наносится маркировка, включающая серийный номер меры, порядковый номер меры в наборе и номинальную толщину покрытия (рис. 4.3).
Материалы оснований эталонов, наиболее часто применяемые на практике: Сталь 20 ГОСТ 1050-88, Латунь ЛС59-1 ГОСТ 15527-2004, Латунь Л63 ГОСТ 15527-2004, Діб ГОСТ 4784-97, МОк ГОСТ859-2001, ВТ1-0 ГОСТ 19807-91.
Химический состав материала основания должен соответствовать требованиям нормативной документации на этот материал.
Основные параметры оснований эталонов 2-го разряда и рабочих эталонов приведены в табл. 5.12.
Материалы покрытий эталонов, наиболее часто применяемые на практике: хром, цинк, кадмий, медь, никель, серебро, олово.
Материалы покрытия эталона должны удовлетворять следующим основным физическим параметрам, приведенным в табл. 5.13.
