Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и сравнительный анализ методов и средств контроля качества многослойных материалов 17
1.1. Методы и средства контроля прочности соединения слоев многослойных материалов 17
1. 1. 1. Качественные методы контроля прочности соединения слоев 18
1. 1.2. Количественные методы контроля прочности соединения слоев 20
1. 1.3. Неразрушающие методы контроля прочности соединения слоев биметаллов 21
1. 2. Методы и средства контроля толщины металлического проката..24
1.2. 1. Выборочный контроль толщин слоев биметаллов 24
1, 2. 2. Методы и устройства непрерывного контроля толщины 26
1. 2. 2. 1. Косвенное измерение толщины 26
1. 2. 2. 2. Контактные измерители толщины полосы 28
1. 2. 2. 3. Бесконтактные методы и устройства контроля толщины 29
1. 3. Методы и устройства определения пористости материалов 35
1. 4. Методы и средства неразрушагощего контроля тепло физических
свойств многослойных материалов 37
1. 5, Выводы и постановка задач исследования 39
Глава 2. Теоретические основы методов контроля качества многослойных материалов 43
2. 1. Электромагнитные методы контроля сплошности соединений слоев и соотношений толщин слоев многослойных материалов 43
2. 1. 1. Электромагнитное поле витка с током, расположенным над многослойным плоским изделием 43
2. 1.2. Воздействие двухслойного изделия на датчик с пренебрежимо малым поперечным сечением обмоток 51
2. 1.3. Метод контроля сплошности соединения слоистых металлов 53
2. 1.4. Метод контроля соотношения толщин слоев биметаллов 57
2. 1.5. Метод непрерывного контроля толщины слоев биметалла с
ферромагнитным основанием 59
2. 2. Метод непрерывного контроля качества металло фторопластовых ленточных материалов 63
ВЫВОДЫ 70
Глава 3. Устройства и информационно-измерительные системы неразрушающего контроля технологических параметров многослойных материалов 72
3. 1. Устройства непрерывного контроля сплошности соединений слоев и соотношений толщин слоев многослойных металлических мате риалов в процессе прокатки 72
3. 1. 1. Исследование и выбор оптимальных параметров накладных преобразователей для бесконтактного контроля сплошности со единения и толщины слоев биметалла 73
3. 1. 2. Устройство непрерывного контроля соотношения толщин слоев биметалла 76
3. 1. 3. Устройство непрерывного контроля сплошности соединений слоев слоистых металлов 80
3. 2. Микропроцессорная информационно-измерительная система кон
троля соотношения толщин слоев биметаллов 84
3. 3. Информационно-измерительная система непрерывного контроля сплошности соединения и толщины слоев трехслойного биметал ла 86
3. 4. Информационно-измерительная система непрерывного контроля толщины слоев биметалла с ферромагнитным основанием 89
3. 5. Информационно-измерительная система контроля характеристик качества металлофторопластовых материалов 90
ВЫВОДЫ 93
Глава 4. Анализ погрешностей разработанных устройств 95
4.1. Схема измерительной цепи и метрологический расчет 95
4. 2. Погрешность преобразования индуктивных датчиков 100
4. 3. Расчет температурной погрешности индуктивных датчиков 106
4. 4. Исследование методической погрешности бесконтактных тепло
вых методов 111
Выводы 114
Основные выводы и результаты
- Количественные методы контроля прочности соединения слоев
- Электромагнитное поле витка с током, расположенным над многослойным плоским изделием
- Исследование и выбор оптимальных параметров накладных преобразователей для бесконтактного контроля сплошности со единения и толщины слоев биметалла
- Погрешность преобразования индуктивных датчиков
Введение к работе
Интенсивное развитие современной техники постоянно требует создания и широкого использования конструкционных материалов со специальными свойствами. В связи с этим большие перспективы по применению в различных отраслях промышленности получили многослойные металлические, неметаллические и комбинированные слоистые композиции. Эти материалы являются не только заменителями дефицитных металлов, но и представляют самостоятельную группу промышленных материалов, позволяющих расширить возможности создания новых машин, приборов и различных изделий. Значительная технико-экономическая эффективность использования многослойных композиций обусловлена тем, что, во-первых, за счет определенного сочетания различных металлов или сплавов, а также неметаллов в многослойных композициях удается объединить нужные эксплуатационные свойства его компонентов, а в ряде случаев получить специфические свойства, которыми не обладают отдельно взятые материалы. Во-вторых, применение многослойных композиций в народном хозяйстве дает значительную экономию дорогостоящих и дефицитных металлов и сплавов при одновременном увеличении прочности или снижении массы изделий и конструкций.
Многослойные композиции применяются для производства деталей и оборудования предприятий химического, нефтяного, сельскохозяйственного, транспортного, энергетического и других отраслей машиностроения. К потребителям таких материалов относятся также приборостроение и радиоэлектроника, инструментальная промышленность, предприятия, производящие товары культурно-бытового и хозяйственного назначения. Одна из наиболее эффективных областей использования многослойных композиций — производство подшипников скольжения. Для подшипников скольжения производят следующие биметаллы: сталь - бронза (Бр ОЦС4-4-2,5 и Бр ОФ6,5-0,15), сталь - алюминиевые сплавы (АОб-1, А09-1, АО 10-1, АО 12-1, АО20-1), сталь - медь (в качестве конструкционной основы металлофторопластовых подшипников). Применение биметаллов для вкладышей подшипников скольжения неразрывно связано с проблемой экономики цветных металлов и заменой дефицитных антифрикционных сплавов типа баббита.
В связи с возрастающим объемом производства многослойных композиций и изделий из них, повышением требований к их эксплуатационным характеристикам становятся актуальными задачи повышения качества материалов и снижения затрат на их изготовление. Решение этих задач связано как с совершенствованием технологии и технологического оборудования для производства этих материалов в целом, отдельных агрегатов и узлов, так и средств контроля качества.
Повышение объективности контроля за счет улучшения точностных характеристик контрольного оборудования, наращивания его функциональных возможностей, автоматизации процессов контроля позволяют добиться улучшения экономических и технических характеристик материалов без коренной модернизации технологии и с меньшими капитальными затратами,
В ряде случаев выборочный контроль исходного материала» заготовок, полуфабрикатов и готовых изделий ответственного назначения на заводах не гарантирует их высокое качество, особенно при серийном и массовом производстве. Все более широкое распространение получает непрерывный нераз-рушающий контроль всей продукции на отдельных этапах производства.
Требования, предъявляемые к геометрической форме подката, идущего на изготовление биметалла (табл. 1), предусматривают максимальную точность ширины и толщины по всей длине.
Таблица 1.Основные свойства антифрикционных биметаллических материалов
8 Антифрикционные подшипниковые биметаллы сталь 08 кп - сплав
А06-1 (А09-1, АО10С2, АО 12-1, АО20-1) и сталь 08 кп -бронза (Бр ОЦС4-4-2,5; Бр ОФ 6,5-0,15) получают методом холодной прокатки через подслой соответственно алюминия А7 ГОСТ 11069-74 и меди Ml ГОСТ 859-76 [86, 87]. В технологическом цикле производства этих биметаллов ведется и изготовление подката (алюминий - антифрикционный алюминиевооловянистый сплав -алюминий и медь - бронза - медь) методом холодной прокатки с обжатием 90% для алюминиевого подката за 5-6 проходов и с обжатием 65 - 70% для медного подката за один проход. При этом в полученных слоистых подкатах толщины слоев алюминия и меди составляют 0,1-0,2 мм.
Получение слоистых подкатов с требуемыми свойствами возможно только при достижении прочного соединения слоев по всей поверхности контакта, сохраняющегося при всех последующих операциях обработки материала, а также во время его эксплуатации. Прочность сцепления слоев зависит от сплошности соединения слоев подката.
Служебные качества металлофторопластовых материалов можно кратко описать следующими основными характеристиками [74]: антифрикционные и противоизносные свойства при работе без смазки сравнимы с аналогичными свойствами смазанных баббитов (граничная смазка); в широком интервале температур (от -200 до +280 С) сохраняют высокие антифрикционные и противоизносные свойства; работают без смазки; сохраняют работоспособность при попадании умеренного количества загрязнений в зазор между трущимися поверхностями; детали, изготовленные из этих материалов, имеют малые объем и массу; устойчивы против коррозии промышленными жидкостями и газами и стойки к действию растворителей; отсутствует опасность возникновения зарядов статического электричества; наличие жидкости, как правило, улучшает антифрикционные свойства материала; не возникают скачки при трении;
10) обладают высокой механической прочностью.
Наиболее прогрессивны и наиболее пригодны для массового производства ленточные материалы, представляющие собой конструкционную основу из стальной ленты, на которую нанесен тем или иным способом тонкий пористый металлический слой антифрикционного сплава (напеканием сферических частиц), сообщающиеся поры которого заполнены фторопластом, образующим также на поверхности приработочный тонкий слой (рис.1). Из таких ленточных материалов штампуют свертные втулки, упорные кольца, вкладыши и другие детали. Рабочая поверхность антифрикционного слоя не допускает механической обработки резанием, что является причиной повышенных требований к допускам, как на общую толщину, так и на толщины слоев производимой ленты (табл. 2) и к точности операций штамповки.
Рис. 1. Разрез металлофторопластового ленточного материала:
1 - фторопласт; 2 - бронза; 3 - медь; 4 - сталь
Из ленты можно изготовлять с внутренним рабочим слоем свертные втулки типоразмеров, приведенных в табл. 3.
Таблица 2. Размеры выпускаемой металлофторопластовой ленты, мм
Ширина ленты
0,75 1,30 2,30
0,35 0,35 0,35
0,06 0,06 0,06
Изделия из антифрикционных биметаллов (вкладыши подшипников скольжения, втулки, упорные полукольца) для быстроходных автомобильных и тяжелонагруженных дизельных двигателей ЯМЗ, А-01, А-41, Д-40, СМД-14, СМД-60, Д-160, Д-260 работают при высоких температурах. Для обеспечения эффективного теплоотвода от трущихся поверхностей изделия из биметалла должны обладать максимально возможными значениями коэффициентов теплопроводности и температуропроводности, которые также необходимо контролировать в процессе производства биметалла. Кроме того, сведения о теплофизических свойствах биметалла существенны для выбора вида и температур но-времени о го режима термообработки после плакировочной прокатки для каждого конкретного вида биметаллов с учетом их специфических свойств, технологии изготовления и др.
Таблица 3. Основные размеры выпускаемых втулок, мм
Существующие методы качественной и количественной оценки соотношения толщин слоев, сплошности соединения слоев многослойных материалов, тепло физических свойств, толщины слоев и пористости металлического каркаса металл о фторопластовых материалов применяют для выборочного контроля. Это не исключает выпуск дефектной продукции.
Поэтому поставленная нами задача разработки и создания методов и средств неразрушающего контроля, позволяющих проводить непрерывный контроль характеристик качества многослойных материалов в процессе их производства, является актуальной. Поэтому целью настоящей работы является разработка новых бесконтактных методов и средств непрерывного контроля с требуемой точностью соотношения толщин слоев, сплошности соединения слоев многослойных материалов, теплофизических свойств, толщины слоев и пористости металлического каркаса металлофторопластовых материалов.
Работа выполнялась в рамках реализации следующих государственных программ: программы Минпромнауки РФ по финансированию научных исследований и экспериментальных разработок на возвратной основе, проект «Создание микропроцессорных приборов оперативного неразрушающего контроля термосопротивления многослойных конструкций с пенополиурета-новыми теплозащитными покрытиями», шифр «Теплогидрощит» на 2001-2002 гг.; научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Производственные технологии» на 2003-2005 гг.
Научная новизна. На основе теории взаимодействия электромагнитного поля с объектом контроля разработаны, теоретически и экспериментально обоснованы новые бесконтактных электромагнитные методы НК толщины слоев многослойных металлических композиций и сплошности соединения слоев, позволяющие производить непрерывный контроль с требуе-
12 мой точностью толщины и сплошность соединения слоев во время прокатки, значительно снизить продольную разнотолщинность, определять границы зон возможных расслоений.
Разработан комплекс новых бесконтактных методов и реализующих их устройств для непрерывного контроля толщины слоев, сплошности соединений слоев многослойных композиций в технологическом процессе их производства.
Впервые для непрерывного контроля толщины слоев, ТФС, а также пористости металлического бронзового каркаса металлофторопластового антифрикционного материала в технологическом процессе его изготовления разработан метод, отличительной особенностью которого является бесконтактность измерения, оперативность и высокая производительность измерения, возможность автоматизации процесса измерения.
Создано математическое, алгоритмическое и программное обеспечения ИИС, позволяющие автоматизировать процесс контроля толщины слоев и качество их соединения, повысить производительность и точность контроля качества изготовления многослойных материалов.
Практическая ценность работы. Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании и внедрении в производство ИИС НК характеристик качества многослойных материалов в процессе их производства, позволяющей повысить оперативность и точность контроля соотношения толщин слоев, сплошности соединения слоев, ТФС, пористости проницаемых материалов, что в итоге обуславливает повышение качества материалов.
Реализация научно-технических результатов. Результаты работы были использованы при выполнении научно-исследовательских работ и в виде автоматизированных приборов, ИИС и технической документации переданы для использования предприятиям: ОАО «Тамбовполимермаш» (г. Тамбов, 2005 г. — экономический эффект - 250 тыс. рублей), ОАО «Завод подшипников скольжения» (г. Тамбов, 2005 г. - экономический эффект — 256
13 тыс. рублей). Материалы диссертации используются в учебном процессе
ТГТУ при обучении студентов специальности 200800 «Проектирование и технология электронных средств».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были рассмотрены и обсуждались на: VIII и IX научных конференциях ТГТУ (г. Тамбов, 2003 - 2005 гг.); IV Всероссийском с международным участием научно-практическом семинаре «В мире неразрушшощего контроля и диагностики материалов, промышленных изделий и окружающей среды» (г. Санкт-Петербург, 2003 г.); 3-ей Международной выставке и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г. Москва, 2004 г.); Пятой Международной теплофизической школе «Тепло-физические измерения при контроле и управлении качеством» (г. Тамбов, 2004 г.); Международной конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (г. Тамбов, 2004 г.).
На защиту выносятся:
Теоретическое обоснование бесконтактных электромагнитных методов НК толщины слоев многослойных металлических композиций и сплошности соединения слоев, позволяющие производить непрерывный контроль толщины и сплошность соединения слоев во время прокатки.
Метод для непрерывного контроля качества (толщины слоев, ТФС, а также пористости металлического бронзового каркаса) металлофторопластового ленточного антифрикционного материала в технологическом потоке его изготовления.
Математическое и алгоритмическое обеспечения ИИС для автоматизации процесса контроля толщины слоев многослойных материалов и качества их соединения, для автоматизации контроля пористости металлического бронзового каркаса металлофторопластового материала.
4. Измерительные устройства и ИИС НК характеристик качества мно гослойных материалов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, списка использованной литературы и приложений. Диссертация изложена на 142 страницах машинописного текста. Содержит 23 рисунка и 9 таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены результаты апробации работы. Сформулированы результаты исследований, выносимые на защиту.
В первой главе приведен обзор методов, приборов и автоматизированных систем НК контроля качества многослойных материалов. Показана актуальность проблемы контроля качества многослойных материалов, современное состояние данной проблемы и пути ее решения. Проанализированы методы и средства НК толщины однослойных и двухслойных материалов в процессе прокатки, сплошности соединения слоев (локальных расслоений по границе раздела), методы и средства определения пористости слоев при изготовлении металлофтороштастовых антифрикционных ленточных материалов.
Большое разнообразие многослойных антифрикционных металлических и комбинированных материалов и изделий из них не только по составу, но и по толщине входящих составляющих компонентов требует применения разных методов и средств контроля их качества. Решение поставленных задач наиболее рационально осуществить созданием электромагнитных и тепловых методов и устройств НК качества в технологическом процессе производства многослойных материалов и изделий из них.
Вторая глава посвящена разработке теоретических основ электромагнитных и тепловых методов НК сплошности соединений и соотношений толщин слоев многослойных материалов в технологическом процессе их изготовления.
Показано, что важнейшей особенностью электромагнитных методов является не только слабая зависимость результатов контроля от параметров
15 окружающей среды, но и то, что они могут быть использованы как бесконтактные и многопараметрические методы контроля. Эти особенности разработанных методов позволяют использовать их для выявления дефектов в виде расслоений непрерывно при прокатке симметричных трехслойных металлических материалов и в системах автоматического контроля и регулирования соотношения толщин слоев при рулонном производстве биметаллов.
Разработан теоретически и экспериментально обоснован метод непрерывного НК качества (толщины, ТФС слоев, а также пористости металлического бронзового каркаса) металлофторопластовой ленты в технологическом процессе ее изготовления, отличительной особенностью которого является бес контактность и высокая производительность измерения, возможность автоматизации процесса измерения.
Третья глава посвящена созданию устройств и ИИС НК качества многослойных композиций. Для реализации непрерывного контроля толщины слоев биметалла с ферромагнитным основанием и непрерывного контроля сплошности соединений слоев слоистых металлов разработаны устройства, позволяющие существенно снизить влияние изменения зазора между датчиком и контролируемым изделием. Постоянство расстояния между датчиками и контролируемой многослойной металлической полосой обеспечивается установкой датчиков на вращающие ролики, которые постоянно находятся в контакте с полосой в процессе контроля.
Для оперативного непрерывного контроля толщины слоев биметаллов в технологическом процессе прокатки разработаны и испытаны ИИС, позволяющие непрерывно контролировать сплошность соединения и соотношение толщин слоев различных биметаллов.
В четвертой главе приводится анализ погрешностей результатов измерений толщины и ТФС многослойных композиций разработанными методами. Показано, что для индуктивных измерительных преобразователей перемещений в качестве основных являются погрешность от нелинейности характеристики и температурная погрешность. Даны аналитические зависимо- сти для расчета температурной погрешности. Доказано, что основным источником методической погрешности бесконтактных методов контроля ТФС и толщины слоев многослойных материалов является погрешность, обусловленная поглощением излучения промежуточной средой. Расчеты показали, что при длине волн от 2 до 20 мкм для пироэлектрического модуля ПМ-4, используемого в качестве термоприемника инфракрасного излучения, погрешность не превышает 1,2%.
В приложении помещены описания технологических процессов производств: антифрикционного биметалла в отрезках и рулонах, металлофто-ропластового ленточного материала.
Работа выполнена на кафедре «Криминалистика и информатизация правовой деятельности» Тамбовского государственного технического университета (ТГТУ).
Количественные методы контроля прочности соединения слоев
Для определения прочности соединения слоев биметаллов преимущественно применяют методы количественной оценки с помощью испытаний на отрыв и срез при статическом и динамическом нагружении.
При испытании на отрыв слоев наиболее широкое распространение получил метод отрыва по кольцевому контуру [40]. Образец биметалла обрабатывают на токарном станке; диаметр расточки внутреннего цилиндра выбирают опытным путем таким образом, чтобы максимальное усилие отрыва слоев по кольцевому контуру не превышало усилия на срез слоя плакировки. Прочность сцепления слоев определяют делением максимального усилия отрыва на величину площади кольца, по которому происходит отрыв. Значительно реже применяют метод испытаний на отрыв слоев с прямыми пазами.
Метод испытания образцов для определения прочности сцепления слоев в направлении, перпендикулярном плоскости соединения имеет свои недостатки: он не применим для материалов с тонким покрытием. Кроме того, трудно достичь строго перпендикулярного направления отрывающей силы по отношению к плоскости сцепления, что вызывает изгиб образца.
Наиболее простым в изготовлении и проведении испытаний прочности соединения слоев биметаллов на срез является способ растяжения плоских образцов с поперечными надрезами слоев. За характеристику прочности соединения здесь применяют величину предела прочности сварного соединения, равную отношению максимального усилия среза к площади среза.
Основным недостатком метода, где используют образцы с надрезом, является опасность их изгиба из-за несовпадения равнодействующей внутренних сил с геометрической осью образца, а также невозможность испытания образцов с тонким покрытием по причине трудности обеспечить точный надрез. При испытании на срез при сдвиге необходимо применять специальные приспособления, обеспечивающие приложение нагрузки к выступу слоя плакировки на образце. По результатам испытаний определяется предел прочности сварного соединения на срез при сдвиге.
Испытание на срез или скол при динамическом нагружении осуществляют на маятниковом копре [40]. Критерием оценки прочности соединения слоев служит удельная работа отрыва образца.
Рассмотренные методы количественного и качественного контроля обеспечивают возможность выборочной проверки прочности соединения слоев в биметалле. Для полной проверки качества соединения слоев необходимо разрабатывать новые методы неразрушающего контроля, которые обеспечат гарантированный выпуск биметаллического проката с надежным соединением слоев.
Неразрушающие методы контроля прочности соединения слоев биметаллов
Существенным достоинством неразрушающих методов является возможность полной автоматизации процесса контроля, что особенно важно при поточном производстве. При выборе метода или комплекса методов НК необходимо, прежде всего, рассмотреть особенности и технические возможности каждого из них, а также основные характеристики технологического процесса изготовления контролируемой продукции.
Наиболее чувствительным из акустических методов является эхоим-пульсный [2, 4, 5, 85, 115]. Если в биметаллическую полосу перпендикулярно ее поверхности посылать ультразвуковые волны, то ввиду того, что основной и плакирующий слой имеют разные акустические сопротивления, от границы слоев отражается часть энергии продольных волн. При наличии расслоения величина отраженной энергии будет изменяться. Метод позволяет решать задачи дефектоскопии по обнаружению и определению координат дефектов, представляющих собой нарушение сплошности контакта слоев. Однако этот метод имеет существенный недостаток из-за так называемой «мертвой зоны», когда эхосигнал приходит после окончания посылаемого импульса. Для со 22 временных дефектоскопов протяженность «мертвой зоны» составляет 1 - 3 мм, что делает эхоимпульсный метод неприменимым для контроля тонколистовых биметаллов.
В промышленности применяют дефектоскопы УДМ-1М, УДМ-ЗМ, ДУК-66, УД-ЮЦА, ДУК-66П, УД2-12, УД2-70, УД2В-П45. Эти приборы работают в диапазоне частот от 62 кГц до 10 МГц. С их помощью можно выявить де-фекты площадью в 8 мм [2-5, 7].
Для контроля тонколистовых биметаллов используют метод звуковой тени. Этот метод связан с появлением области «звуковой тени» за дефектом, поперечные размеры которого превышают длину упругой волны. При этом выявляются раковины, трещины и расслоения. О наличии дефекта при двухстороннем подходе к контролируемому участку судят либо по уменьшению энергии ультразвуковых колебаний в расположенной за дефектом зоне, либо по изменению фазы или времени приема ультразвуковых колебаний, огибающих дефект. В современных дефектоскопах, работающих на теневом методе, для исключения стоячих волн применяют частотную модуляцию или же используют импульсный режим колебаний. В этом случае возможен так называемый зеркальный способ, не требующий двустороннего подхода к контролируемому участку.
Электромагнитное поле витка с током, расположенным над многослойным плоским изделием
Антифрикционные подшипниковые биметаллы сталь 08кп - сплав А09-1 (АО10-1, А012-1, АО20-1) и сталь 08кп - бронза БрОФ6,5-1,5 получают методом холодной прокатки через подслой соответственно алюминия А7 ГОСТ 11069-74 и меди Ml ГОСТ 859-76 [39, 40]. В технологическом цикле производства этих биметаллов ведется и изготовление подката (алюминий - антифрикционный алюминиевооловянистыЙ сплав - алюминий и медь -бронза - медь) методом холодной прокатки с обжатием 90% для алюминиевого подката за 5-6 проходов и с обжатием 65 — 70% для медного подката за один проход. При этом в полученных слоистых подкатах толщины слоев алюминия и меди составляют ОД - 0,2 мм.
Получение слоистых подкатов с требуемыми свойствами возможно только при достижении прочного соединения слоев по всей поверхности контакта, сохраняющегося при всех последующих операциях обработки материала, а также во время его эксплуатации. Прочность сцепления слоев зависит от сплошности соединения слоев подката.
Наибольшее распространение для контроля сплошности соединения слоев слоистых металлических композиций получил метод вихревых токов, к основным достоинствам которого относится то, что он может быть использован как бесконтактный и многопараметрический. Важнейшей особенностью метода является и слабая зависимость результатов контроля от параметров окружающей среды.
Для возбуждения вихревых токов и регистрации возмущенного поля в разработанном методе применяют два накладных датчика, которые располагают с каждой стороны прокатываемой трехслойной полосы. При наличии расслоения, например, в верхней части композиции верхний слой можно рассматривать как проводящую пластину, а нижний слой с основой - немагнитное покрытие на немагнитном основании. Функция влияния Р], входящая в выражение (2.36) соответственно для проводящей пластины, полагая З уъ = 0,//2 =//3 = !, = —, и немагнитного покрытия на немагнитном основании 1R (ft2 =//з =1) имеет вид (2.37) 3V9 + у 4/? 2 + (9 + y4jff 2 )th ф + J4/3 2 ft + jtftf? - л/9 + У 4А3)+ (3V9 + J4# - 9 - У4А2 )/А f + У 4Д Рі=У 4 v " "J (2.38) 49 + J Plk + V9+7W)+ (ЗЛ/9 + У 4А2 + 9 + ;4# )rA ,/9 + ;4# где /?2 = Д-у/ гАо А = Л /ги/з/ о" обобщенные параметры, учитывающие свойства материала изделия ( ,//), частоту/возбуждения вихревых токов и размеры контура вихревых токов; = —, /? - большее из Л і я R2\d толщина покрытия; тл,, - удельная проводимость соответственно покрытия и основания.
Дефекты, лежащие в плоскости, параллельной поверхности изделия, в частности расслоения в слоистых металлах, не изменяют траектории вихревых токов, но влияют на их распространение по глубине. Рассмотрим модель трехслойной металлической композиции (рис. 2. 3), получаемого прокаткой симметричного пакета (например, алюминий - сплав АО20-1 - алюминий или медь - бронза БрОФ 6,5-0,15 - медь), у которой первый и третий слои имеют параметры У=У\іМ—М), второй слой-основа -У - Уг 11 = Мо и расслоение - y = 0,/x ju0. При прокатке симметричных пакетов толщины верхнего и нижнего слоев одинаковы. Тогда выражения, определяющие напряжения соответственно на измерительной обмотке верхнего датчика, расположенного над проводящей пластиной и на измерительной обмотке нижнего датчика, расположенного под немагнитным покрытием на немагнитном основании будут иметь вид lc -з 211 All Н7Г 2/32th 9 + J402 3-79+ J4/32 + (9+ j4p2)th - 9 + ./4/32 ,h,rh. y« = jWLjLtyz -10 ) , JR ie - + jOzLs-faz - 10 Р,№%е x 4n 4K ф+ j4fll(3 - ф+ j4f}})+ (379 + 74 32 -9 - ]Afil)th f V9 + y4/J=2 7977477(3 + 9 + /4 )+ (379 + 74/?; + 9 + У4 2)й і-V9 + У4/?22 (2.39) Выражения для нормированных напряжений имеют вид Re = A Im = _( wLeT (239а) и и Re т— = -е [А/32 -372 7 16 -9] ;lm -«3e" 6-3727-/81 + 16/52+9 (2.396) где Ж, 2 - число витков возбуждающей и измерительной обмоток датчика; ь #2 — радиусы возбуждающей и измерительной обмоток; //0 - магнитная постоянная / - переменный синусоидальный ток, протекающий по возбуждающей обмотке датчика; J32 = К (оу2щ , /33 = R o}/ i0 - обобщенные параметры, учитывающие свойства материала изделия, частоту возбуждения вихре вых токов и размеры контура вихревых токов; # = —, R - большее из R\ и R2; R -толщина покрытия; yvy2 - удельные проводимость покрытия и основания.
Исследование и выбор оптимальных параметров накладных преобразователей для бесконтактного контроля сплошности со единения и толщины слоев биметалла
Для возбуждения вихревых токов и регистрации возмущающего поля применяют преобразователи, представляющие собой обычно катушки индуктивности разнообразных форм и взаимного расположения. В измерительной технике методом вихревых токов получили применение так называемые накладные трансформаторные датчики, которые являются многообмоточными, имеющими одну токовую и одну или несколько измерительных обмоток.
Основной задачей исследования трансформаторных датчиков является получение и анализ выражений для напряжения измерительных обмоток, а также проектирование оптимальной конструкции датчиков для контроля толщины быстродвижущихся биметаллических полос. Применяемые на практике датчики имеют обычно прямоугольное сечение обмоток.
Накладные трансформаторные датчики могут быть выполнены двумя способами - с разнесенными токовой и измерительной обмотками или «в два провода, когда обмотки наматываются сразу из двух проводов одного сечения».
Для первого способа изготовления разделим обе части равенства (2.36), определяющего напряжения измерительной обмотки датчика с разнесенными обмотками, на величину начального напряжения Uu = U0e 2R при отсутствии проводящего образца, получим U J + je pM . (3.1)
Для сравнения рассматриваемого датчика с другими датчиками определим величину максимально возможного сигнала на его измерительной обмотке. Функция р} максимальна при /?- со, и ее предел в этом случае
После подстановки этого предела в выражение (3.1) при й,= 0 или h2= О (рис. 2.2), в результате полное относительное напряжение на измерительной обмотке датчика равно нулю, т.е. максимальное вносимое контролируемым образцом напряжение по модулю равно начальному напряжению, наводимому токовой обмоткой в отсутствии образца, а по фазе противоположно ему. Это значит, что относительная чувствительность датчика, равная отношению UJU», может достигать 1.
Рассмотрим особенности датчика, намотанного способом «в два провода». Для определения соответствующих величин воспользуемся соответствующими формулами работы [36].
Выражение для относительного напряжения измерительной обмотки в отсутствии образца имеет вид и =х ф\ ,, (3.3) где М\2 - взаимная индуктивность между токовой и измерительной обмотками, а М2з - взаимная индуктивность между зеркальным изображением токовой обмотки и измерительной обмоткой. Для катушек, намотанных «в два провода», коэффициент связи близок к 1, а индуктивности равны (так как размеры обмоток и количество витков совпадают). Коэффициент связи измерительной обмотки и зеркального изображения токовой всегда меньше единицы, поэтому второй член равенства (3.3) определяющий относительное вносимое образцом напряжение, будет всегда меньше единицы, т.е. = (Л). (3-4) Тогда, с точки зрения относительной чувствительности датчик, намотанный способом «в два провода», уступает датчику с разнесенными обмотками.
При определении оптимальной конструкции датчика средний диаметр большей обмотки выбирается наряду с частотой питающего напряжения, исходя из условий оптимальности контроля толщины слоя биметаллической полосы (т.е. исходя из оптимального значения обобщенного параметра /!, определяющего наилучшую рабочую область напряжений измерительной обмотки на комплексной плоскости с точки зрения получения наибольшей чувствительности датчика или возможности отстройки от мешающих факторов).
Радиальные размеры сечения обмоток следует выбирать по возможности большими, так как это означает увеличение числа витков и, следовательно, увеличение полезного сигнала. Получаемый сигнал будет тем больше, чем меньше расстояния между обмотками и поверхностью контролируемой полосы, поэтому, если специальные требования к величине этого расстояния отсутствуют, его следует выбирать минимальным.
При расположении обмоток датчика на одном расстоянии от поверхности биметаллической полосы с увеличением длин обмоток вносимое напряжение вначале непрерывно растет, а затем замедляется, и максимума не имеет. Учитывая это, можно сказать, что слишком длинные датчики применять нецелесообразно.
В работе исследованы ряд катушек, параметры которых приведены в табл. 3.1.
На рис. 3.1 показана зависимость амплитуды выходного напряжения преобразователя от величины зазора h (между преобразователем и объектом контроля) для биметалла с различной толщиной верхнего слоя. При изменении зазора в пределах 0,4 - 1,6 мм амлитуда сигнала мало зависит от изменения зазора, чувствительность к толщине достаточно велика.
Погрешность преобразования индуктивных датчиков
Рассматривая составляющие погрешности индуктивного измерительного устройства, в качестве основных выделили погрешность от нелинейности характеристики и температурную погрешность индуктивного датчика. Рассмотрим расчет температурной погрешности. Под действием нестабильной температуры датчика изменяются его геометрические размеры и происходит изменение электромагнитных характеристик магнито провода и обмот 107 ки, вследствие чего полное сопротивление датчика является зависимым от температуры. В результате возникает температурная погрешность датчика dZ д dZ bZ.At (4.17) At = At: = — -— dZ 1 dt dl bS, где " i ,, 7 — относительная чувствительность датчика по входному перемещению /; At - нестабильность температуры.
Относительная температурная нестабильность полного сопротивления датчика г , 7 может быть определена из следующей зависимости [61,62]: где « n — добротность преобразователя; оп ас - относительный линей ный температурный коэффициент материала провода и сердечника; otn, ac - относительный температурный коэффициент сопротивления материала провода и материала сердечника; о73/,8/( - относительное температурное смещение якоря и сердечника в направлении измерительного зазора и в направлении изменения площади измерительного зазора соответственно, вызванное температурными деформациями якоря, сердечника и корпуса преобразователя, град-1; з 5з - длина и площадь сечения немагнитного зазора в сердечнике; lc sc М-с - длина, площадь сечения и относительная магнитная проницаемость участков сердечника.
В зависимости (4.18) параметры аП ас, ап йс:, 8[J.c,,p-c определяются из справочных данных для выбранного материала сердечника.
Для нахождения добротности преобразователя расчетным путем необходимо определить его индуктивность на рабочем участке L и сопротивление потерь Rn, а также выбрать рабочую частоту/ Индуктивность преобразователя на стадии его расчета можно оценить по формулам [62] Д — средний эквивалентный радиус обмотки датчика; s - площадь поперечного сечения обмотки; п,с - относительная магнитная проницаемость материала сердечника; / - длина обмотки; s„ - площадь сечения полюса, образующего немагнитный зазор; sc— площадь сечения магнитопровода, средняя; /с - длина средней магнитной линии в магнито про воде; к = 1,345 +0,43-Y -а А а 0,088+0,066-а - коэффициент выпучивания магнит ного поля в зазоре; z а 1»5я - координата поля выпучивания вдоль сердечника; а - ширина полюса.
Сопротивление потерь складывается из сопротивления обмотки и активного эквивалентного сопротивления потерь в сердечнике датчика:
Выражение (4.23) можно записать в ином виде, если под величиной Д?с понимать не изменение температуры в абсолютных величинах, а изменение перепада температур между сердечником и корпусом. Тогда А 1 = 0, k = 0 и т А/ А/ =-ясХ ,с; Я =-7 -. (4.24) 1=1 з
В зависимости от того, как удобно оценивать изменение температуры датчика - по абсолютной величине изменения или по изменению перепада температур между сердечником и корпусом, - можно пользоваться выражениями (4.23) или (4.24).
Температурно-зависимыми параметрами в выражении (4.18) являются величины апі ап, ас, ас, 5и.сґ. Относительная температурная нестабильность указанных величин приведена в табл.4.3.
Из табл. 4.3 можно видеть, что наибольшую нестабильность имеет удельное электросопротивление материала; несколько меньшую, но существенную нестабильность имеет магнитная проницаемость материала. Температурную же нестабильность линейных размеров можно не учитывать без заметной погрешности (это не относится к определению температурной нестабильности параметров немагнитного зазора).
Измерение температуры с помощью оптико-электронных систем является косвенным методом определения указанного параметра. На параметры потока излучения, кроме температуры объекта, оказывают влияние следующие факторы: а) излучательная способность объекта, зависящая от оптических свойств, вида механической обработки, степени шероховатости и т.д.; б) поглощение излучения промежуточной средой; в) отраженные объектом излучения сторонних источников излучения.
Погрешность, обусловленная отраженным объектом излучением сторонних источников излучения, может быть значительной при измерении температуры объекта, обладающего высоким значением коэффициента отраже ния, главным образом, зеркального. Расчет величины этого вида погрешности обычно затруднен, т.к. кроме величины коэффициента отражения объекта в данном направлении, необходимо знать степень освещенности объекта от постороннего источника излучения.
Погрешность, обусловленная поглощением излучения промежуточной средой вследствие наличия в объеме между термоприемником и объектом взвешенных частиц, также может быть значительной. Оценка этой погрешности затруднена. Для этого нужно знать суммарный коэффициент ослабления слоя воздуха для данной длины волны, что в производственных условиях определить трудно.
В работе [67] приводится спектральный коэффициент поглощения для такой среды, равный к(Я)= -к(г0), (4.25) где рк — концентрация поглощающих частиц; 3 - плотность частиц; k(r0) -функция, определяемая оптическими размерами частиц, значения которых составляют от единиц до десятков микрометров.
При больших значениях о величина к{Ли1Л) стабилизируется и перестает зависеть от оптического диаметра частиц. Оптический радиус определяется как геометрическими размерами частицы, так и длиной волны излучения и физическими свойствами частиц (его комплексным показателем преломления).
По мере увеличения размеров частиц или уменьшения длины волны падающего излучения дифракционные явления на частицах ослабевают и при -r f Я-юа - частицы по своим оптическим свойствам становятся эквивалентными системе больших непрозрачных экранов, подчиняющихся законам геометрической оптики.
