Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния методов и средств измерения толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных основаниях 11
1.1 Классификация неферромагнитных электропроводящих материалов 11
1.2 Покрытия, основные типы покрытий, классификация 16
1.3 Толщина покрытия, как основной параметр его качества. Обобщенная структура задач измерения толщины покрытий 18
1.4 Методы и средства неразрушающего контроля толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях 21
1.5 Анализ современного состояния вихретоковых толщиномеров покрытий.. 30
1.6 Постановка задачи 36
ГЛАВА 2. Теоретическое исследование первичных измерительных вихретоковых преобразователей для контроля толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях 38
2.1. Общая характеристика вихретокового вида неразрушающего контроля 38
2.2 Расчетно-теоретические модели взаимодействия электромагнитного поля измерительного вихретокового преобразователя с объектом контроля 43
2.3 Сигналы первичного вихретокового преобразователя. Контролируемые и мешающие параметры вихретокового контроля 53
2.4 Обобщенная структурная схема вихретокового толщиномера 60
2.5 Выводы по главе 2 61
ГЛАВА 3. Методические принципы построения и расчета измерительных вихретоковых преобразователей и обработки измерительной информации 62
3.1 Структура первичных измерительных вихретоковых преобразователей 62
3.2 Методы и средства обработки первичной информации. Подавление мешающих параметров 67
3.3 Оптимизация параметров первичных измерительных вихретоковых преобразователей 82
3.4 Выводы по главе 3 88
ГЛАВА 4. Метрологическое обеспечение вихретоковых толщиномеров неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях 90
4.1. Основные принципы стандартизации в области измерения толщины защитных покрытий и изделий 90
4.2. Поверочная схема толщиномеров неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях. Выбор характеристик и установление номенклатуры наборов мер толщины покрытий 93
4.3. Исследование мер толщины металлических покрытий 99
4.4 Методика изготовления и аттестации натурных мер толщины покрытий.. 107
4.5 Выводы по главе 4 115
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования средств вихретоковой толщинометерии неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях 116
5.1 Экспериментальные исследования вихретокового толщиномера на натурных мерах толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях 116
5.2 Испытания вихретокового толщиномера на образцах реальных изделий.. 126
5.3 Анализ эффективности результатов диссертационной работы 129
5.4. Перспективы развития и области применения результатов диссертационной
работы 130
5.5 Выводы по главе 5 132
Заключение 134
Список условных обозначений 135
Список литературы
- Методы и средства неразрушающего контроля толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях
- Расчетно-теоретические модели взаимодействия электромагнитного поля измерительного вихретокового преобразователя с объектом контроля
- Методы и средства обработки первичной информации. Подавление мешающих параметров
- Поверочная схема толщиномеров неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях. Выбор характеристик и установление номенклатуры наборов мер толщины покрытий
Введение к работе
Актуальность работы. Современное промышленное производство характеризуется постоянным повышением требований к качеству выпускаемой продукции. Металлические покрытия изделий из цветных металлов широко распространены во всех отраслях промышленности. Покрытия наносят с целью защиты изделий от коррозии и от воздействия окружающей среды, для придания их поверхностям специальных свойств, улучшения внешнего вида и повышения декоративных свойств. Контроль толщины покрытия является весьма важной операцией в технологическом цикле изготовления изделия, поскольку соответствие реальной толщины покрытия требованиям конструкторской и нормативно-технической документации на изделие является наиболее важным с точки зрения обеспечения функционального назначения покрытия и изделия в целом.
Для неразрушающего контроля толщины электропроводящих неферромагнитных покрытий на электропроводящих неферромагнитных основаниях в настоящее время применяются методы радиационного вида неразрушающего контроля. Сложная методика калибровки, необходимость анализа картины спектров элементов, содержащихся в покрытии и основании, высокая стоимость рентге- но-флуоресцентных анализаторов затрудняет их использование в качестве толщиномеров широкой номенклатуры покрытий в цеховых условиях гальванических производств. Повышенные требования безопасности, связанные с работой с источниками радиоактивного излучения и их хранением, а также необходимость использования упорного апертурного кольца преобразователя только под определенный радиус кривизны поверхности объекта измерения снижает эффективность использования толщиномеров, основанных на методе Р-отражения радиационного вида неразрушающего контроля.
Наиболее универсальными методами неразрушающего контроля толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на изделиях из неферромагнитных материалов являются методы вихре- токового вида неразрушающего контроля. Вихретоковые первичные и вторичные преобразователи могут выполняться в малогабаритных, надежных конструктивных исполнениях. В отличие от методов ра-
диационного вида неразрушающего контроля, применение методов вихретокового вида экологически безопасно. Процедура калибровки вихретоковых преобразователей достаточно проста, при их эксплуатации не требуются повышенные меры техники безопасности. Перечисленные обстоятельства позволяют эффективно использовать вихретоковые толщиномеры для оперативного контроля толщины широкой номенклатуры покрытий на изделиях сложного криволинейного профиля, в цеховых условиях, в том числе непосредственно в технологическом процессе нанесения покрытия.
В настоящее время рядом ведущих производителей решены задачи контроля толщины небольшого количества типов покрытий на изделиях из цветных металлов, с заявляемой погрешностью измерения ±(0,01...0,03Т+2...3) мкм. Однако, в области малых толщин покрытий, при проведении измерений в цеховых условиях при реальных технологических разбросах физических и геометрических параметров изделий, заявляемые значения погрешности не обеспечиваются.
Уменьшение погрешности измерения возможно за счет оптимизации параметров первичных измерительных вихретоковых преобразователей (ВТП), усовершенствования методик и средств измерения и обработки получаемой с ВТП первичной информации.
Цель работы: Уменьшение погрешности вихретоковых не- разрушающих средств измерения толщины электропроводящих неферромагнитных покрытий на электропроводящих неферромагнитных основаниях в области толщин от 0 до 50 мкм.
Идея работы: Использование сбалансированного трехобмо- точного накладного вихретокового преобразователя с ферритовым сердечником и заданной частотой тока возбуждения совместно со схемой, обеспечивающей измерение амплитуды и фазы вносимого напряжения, позволяет повысить чувствительность ВТП к толщине покрытия и уменьшить влияние характерных для промышленных производств мешающих параметров на результаты контроля, что обеспечивает уменьшение погрешности измерений.
Задачи исследования:
провести анализ методов повышения чувствительности вихретоковых средств неразрушающего контроля;
провести анализ методов уменьшения влияния мешающих параметров вихретокового контроля на результаты измерений;
разработать модель взаимодействия первичного измерительного ВТП с ферритовым сердечником и заданной частотой тока возбуждения с объектом контроля (ОК);
разработать способ выделения информативного параметра сигнала ВТП на фоне влияния мешающих параметров, позволяющий проводить измерения с погрешностью, не превышающей заданную;
разработать методику оптимизации параметров первичного измерительного ВТП;
разработать средства метрологического обеспечения вих- ретоковых толщиномеров неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях и методику их аттестации;
изготовить и провести испытания разработанных средств вихретоковой толщинометрии;
провести внедрение результатов работы на промышленных предприятиях.
Методы исследований.
Для исследования взаимодействия ВТП с ОК использовались методы численного моделирования, основанные на методе конечных элементов, и экспериментальные исследования сигналов макетов ВТП при проведении измерений на натурных мерах толщины покрытий и контрольных образцах покрытий. Экспериментальные данные обрабатывались с использованием методов математической статистики. Исследования алгоритмов выделения информативного параметра сигнала ВТП проводились с применением методов математического моделирования.
Научная новизна работы:
1. Установлены зависимости изменения плотности вихревых токов, наведенных в ОК круговым витком с током заданной частоты, от толщины покрытия, электропроводности покрытия и основания, а также от геометрических размеров ОК.
2. Разработана модель взаимодействия первичного трехобмо- точного накладного измерительного ВТП с ферритовым сердечником и заданной частотой тока возбуждения с ОК, представляющим
собой неферромагнитное электропроводящее полупространство с неферромагнитным электропроводящим покрытием с заданным значением толщины и относительной электропроводностью.
3. Установлено, что отклонение от плоскостности рабочей поверхности основания меры и неравномерность нанесения покрытия являются основными источниками погрешности мер толщины покрытий.
Положения, выносимые на защиту:
-
-
Разбалансировка обмоток чувствительного элемента первичного измерительного ВТП, обеспечивающая смещение точки наблюдения по мнимой оси комплексной плоскости годографа вектора вносимого напряжения на заданную величину, при оптимальной частоте тока возбуждения и значении обобщенного параметра вих- ретокового контроля P не более 30 при Тп=0, уменьшает дополнительную абсолютную погрешность измерения толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях с относительной электропроводностью сп/с0>2 до ±0,5.. .1 мкм в диапазоне толщин от 0 до 50 мкм при девиации относительного зазора Ь/Яв от 0 до 0,3.
-
Смещение точки, соответствующей Тп=0 и Л*=0, вверх по годографу вектора /*вн(Тп), обеспечиваемое установкой дистанционной прокладки необходимой толщины из материала с заданной электропроводностью между контактной поверхностью измерительного амплитудно-фазового ВТП и ОК, уменьшает дополнительную абсолютную погрешность измерения толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях с относительной электропроводностью сп/со<0,4 до ± 1...1,5 мкм в диапазоне толщин от 0 до 50 мкм при девиации относительного зазора VR от 0 до 0,1.
-
Предлагаемая конструкция и технология изготовления оснований, приемы их отбора и подготовки совместно с технологиями получения покрытий и методикой аттестации их толщины обеспечивают возможность изготовления комплектов мер толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях с абсолютной погрешностью не превышающей ±0,3 мкм, что удовлетворяет условиям гра-
дуировки и поверки вихретоковых толщиномеров неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях с абсолютной погрешностью измерения не более ±1 мкм в диапазоне толщин покрытий от 0 до 50 мкм.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается сходимостью результатов математического моделирования и аналитических расчетов с результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях на комплектах натурных мер и контрольных образцах покрытий.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработана, изготовлена и сертифицирована совокупность средств неразрушающего контроля толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий изделий из неферромагнитных электропроводящих материалов.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Результаты работы были использованы научно- производственной фирмой ЗАО "Константа" при разработке электромагнитного толщиномера "К6 Гальванический" и серии вихретоковых преобразователей к нему. За период с 2011 по 2013 года реализовано и внедрено на производствах более 30 вихретоковых толщиномеров гальванических покрытий, в том числе неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основания. Помимо этого результаты работы могут быть применены при контроле толщины покрытий на гальванических участках и производствах в различных отраслях промышленности.
Личный вклад автора:
обоснована возможность применения ВТП для измерения толщины покрытий, электропроводность которых меньше электропроводности основания;
разработан алгоритм обработки сигналов ВТП, обеспечивающий измерение толщины покрытия на фоне изменения зазора между ВТП и ОК в широком диапазоне;
предложена конструкция, технология изготовления и методика аттестации натурных мер толщины неферромагнитных элек-
тропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях: "The 49th Annual Conference of The British Institute of NonDestructive Testing", Cardiff, UK, 2010 г.; "XIX всероссийская конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике", г. Самара, 2011 г.; "18th World Conference on Nondestructive Testing", Durban, South Africa, 2012 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России, получен патент на метод измерения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 160 страницах. Содержит 62 рисунка, 24 таблицы и список литературы из 118 наименований.
Методы и средства неразрушающего контроля толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях
Все перечисленные алюминиевые сплавы являются неферромагнитными (ц=1) электропроводящими, электропроводность которых лежит в диапазоне о 12...30 МСм/м.
Титановые сплавы превосходят алюминиевые по пределу прочности и модулю упругости. Их плотность больше, чем всех других легких сплавов, а по удельной прочности они уступают только бериллиевым сплавам. Титан обладает явным преимуществом над алюминиевыми сплавами в прочности при температуре до 430 С. Титановые сплавы получают путём легирования титана алюминием, молибденом, медью, хромом, вольфрамом, никелем, оловом и др. легирующими добавками.
Конструкционные титановые сплавы представляют собой твердые раствот ры, что обеспечивает оптимальное соотношение прочности и пластичности. Их широко применяют в авиастроении. В основном эти сплавы используют для различного рода деталей, воспринимающих силовую нагрузку (баллоны, сотовые изделия, несущие конструкции). Благодаря надежности, прочности и вязкости эти изделия выдерживают разные виды нагрузок.
Жаропрочные титановые сплавы получают добавлением олова, алюминия и циркония в основной металл. Обладая высоким уровнем жаропрочности, трещи-ностойкости, термической стабильности при температурах до 450-500С эти сплавы также обладают низкой чувствительностью к концентраторам напряжений.
Интерметаллидные титановые сплавы - это сплавы на основе алюминида титана Ті3А1, никелида титана TiNi. Они имеют высокую удельную жаропрочность при рабочих температурах 650-1300 С без защитных покрытий, хорошие коррозионную стойкость и износостойкость, но невысокую пластичность. Применяются, как правило, при изготовлении деталей сверхзвуковых летательных аппаратов и их двигателей.
Литейные титановые сплавы имеют высокую жидкотекучесть, плотность, малую склонность к образованию горячих трещин и малую усадку ( 1 %). Плавку и разливку литейных титановых сплавов необходимо осуществлять в вакууме или в среде нейтральных газов из-за высокой склонности к поглощению газов. Эти сплавы обладают более низкими механическими свойствами, чем деформируемые, но литьем можно получать более сложные фасонные отливки.
Все титановые сплавы являются неферромагнитными (ц=1) электропроводящими, электропроводность которых лежит в диапазоне о=0,1 ... 2 МСм/м.
Медь получила широкое распространение в электротехнике и электронике прежде всего из-за своей высокой электрической проводимости. К другим полезным свойствам меди и ее сплавам можно отнести хорошую теплопроводность, а также хорошую сопротивляемость к окислению.
Существует несколько видов чистой меди, в которых основной металл представлен от 99,4% до 99,9% от общего объёма с остаточными примесями и легирующими компонентами. Также чистая медь различается по давлению, необходимому для деформации ее структуры на мягкую медь (м), полутвёрдую (пт) и твёрдую (т) [99].
Стоит отметить, что медь в чистом виде не отличается достаточной прочностью, поэтому, как правило, ее не используют в качестве конструкционного материала. Для повышения физико-технических характеристик чистой меди в современной металлургии создаются передовые медные сплавы, легируемые различными металлами и минералами [2]. Основные элементы, которые включены в состав медных сплавов - это цинк, олово, алюминий, кремний, фосфор, никель. В качестве дополнительных легирующих компонентов для создания новых физических и химических характеристик используются марганец, висмут, никель, бериллий и другие элементы. Все медные сплавы подразделяются на три большие группы [2]:
Оловянистые бронзы обладают минимальной усадкой, и поэтому используются в основном для изготовления изделий, получаемых методом литья, а также для изготовления бронзового проката.
Алюминиевые бронзы включают до 8 % алюминия и хорошо поддаются обработке давлением в любом состоянии. Они имеют высокую коррозионную стойкость, химическую пассивность и хорошие механические свойства. Кремнистые бронзы обладают аналогичными полезными свойствами и более низкой стоимостью. Бериллиевые бронзы содержат 2 % бериллия, имеют высокую прочность, упругость и коррозионную стойкость. Они хорошо свариваются, режутся и не дают искры при ударе о другой металл.
Большим спросом в промышленном производстве пользуются жаропрочные сплавы меди, включающие кремний, хром и цинк в различных пропорциях. Эти прогрессивные материалы способны выдерживать значительные термальные нагрузки без изменения основных физико-химических характеристик. Электротехнические медные сплавы - это подгруппа жаропрочных соединений, которая используется для производства электронных деталей, электрооборудования и приборов. Металлы этого класса, кроме термостойкости, отличаются повышенной электропроводностью, что и определяет область их применения.
В отдельную группу также можно выделить медно-никелевые сплавы, отличающиеся непревзойдённой коррозионной стойкостью, что позволяет использовать эти материалы в современном судостроении. Наличие в сплаве никеля существенно увеличивает сопротивление окислению, повышает упругость и прочность конечного соединения, но уменьшает главные свойства меди: тепло- и электропроводность. Как правило, обработка медно-никелевых сплавов требует повышенных температурных режимов и высокого давления.
Расчетно-теоретические модели взаимодействия электромагнитного поля измерительного вихретокового преобразователя с объектом контроля
ГОСТ 9.301-86 устанавливает различные показатели качества, которым должно соответствовать металлическое покрытие. Основными показателями качества, которым должны удовлетворять все типы покрытий, являются внешний вид, толщина и функциональные свойства. Для большинства типов покрытий также предусмотрены показатели пористости, химического состава и защитных свойств. ГОСТ 9.303-84 устанавливает требования к необходимой толщине покрытия в зависимости от условий эксплуатации покрытия и климатического исполнения изделий. Соответствие реальной толщины покрытия требованиям конструкторской и нормативно-технической документации на изделие является наиболее важным с точки зрения обеспечения функционального назначения покрытия, т.к. не соблюдение этого требования может привести к отклонению других параметров.
В вопросах защиты от коррозии толщина защитного покрытия принята в качестве основного параметра, так как продолжительность защиты является непосредственной функцией толщины покрытия. Кроме этого, покрытие с заданной толщиной надежно перекрывает микронеровности и шероховатость и исключает их влияние на функционирование изделия. Толщина покрытия определяет защит 19 ные свойства изделий при их эксплуатации в условиях агрессивных сред, при взаимодействии с абразивными материалами или трущимися поверхностями.
Особое значение толщина покрытия имеет для специальных покрытий, т.к ее отклонение может привести к отклонению функциональных свойств изделия. Например, заданная толщина покрытия имеет большое значение для оптических свойств поверхностей, так как коэффициент отражения является функцией оптической толщины. В акустических системах толщина покрытия влияет на параметры акустических волноводов, линий задержек и т.д.
Сказанное выше показывает широту использования защитных покрытий, у которых толщина является определяющим функциональным параметром. Практически во всех нормативных документах ставится обязательное условие гарантированного ее обеспечения для успешного применения изделий в оговоренных условиях эксплуатации.
Не смотря на то, что отечественные стандарты содержат рекомендуемые значения толщин покрытий различных типов, в них, однако, отсутствует единая методика установления требований к толщине покрытия и назначению ее допусков.
Как правило, в нормативной документации задают минимальную толщину покрытия, а максимальную устанавливают в соответствии с нормированным рядом толщин. Для покрытий не принято задавать толщину с указанием допуска. Это обстоятельство не создает условий для офаничения перерасхода материалов покрытий, а также для выполнения общепринятого правила определения допускаемой пофешности средств измерений в зависимости от допуска [56].
Для контроля толщины металлических покрытий в ГОСТ 9.302-88, а так же стандартах ИСО приведены рекомендации по применению разнообразных разрушающих и неразрушающих методов контроля. Однако отсутствуют конкретные рекомендаций по выбору толщиномеров покрытий в зависимости от допуска на толщину и требуемой точности измерений. Как правило, это приводит к необоснованному и нерациональному выбору типов толщиномеров покрытий и их тех 20 нических характеристик, что может привести к недостаточной надежности результатов измерений.
Из выше сказанного следует, что наряду с разработкой современных высокоточных средств измерений толщины покрытий требуется также существенная доработка отечественной нормативной документации.
Подводя итог можно сформулировать обобщенную структуру задач измерения толщины покрытий:
1. Общие параметры, характеризующие покрытие [56]: удельная электропроводность ап, МСм/м, характеризующая электрическую проводимость; - твердость НС или микротвердость HV, характеризующая изменение толщины покрытия в момент прижатия преобразователя к его поверхности при измерении; - однослойное или многослойное, в предположении что слои имеют отличающиеся ап и НС ; - плотность р, кг/м ; - шероховатость Rz, мкм, характеризующая качество поверхности, а также ее изменение по поверхности изделия или от изделия к изделию в пределах контролируемой партии; - температура t и ее градиент по поверхности покрытия изделия или от изделия к изделию в пределах контролируемой партии;
2. Общие параметры, характеризующие основание (изделие или конструкцию): - все цветные металлы и их сплавы считаются нефферомагнитныи материалами, относительная магнитная проницаемость ц=1; - удельная электропроводность а0 и ее девиация по поверхности изделия или от изделия к изделию в пределах контролируемой партии; - геометрические размеры изделия или зоны контроля - длина и ширина (мм х мм), для плоских изделий; - радиус г, мм, в зоне контроля для цилиндрических и сферических изделий; - внутренняя (вогнутость) или наружная (выпуклость) поверхность (-/ или +г); - шероховатость Rz, мкм, характеризующая качество поверхности, и ее девиация по поверхности изделия или от изделия к изделию в пределах контролируемой партии; - габариты - абсолютные размеры изделия или конструкции: а) миниатюрные, размер которых меньше зоны контроля преобразователя; б) малогабаритные, размер которых сопоставим с зоной контроля преобразователя; в) среднеразмерные, для контроля которых необходимо провести несколько измерений с нормированным шагом, не требующие создания карты контроля; г) крупногабаритные, характеризующиеся необходимостью проведения большого числа измерений с нормированным шагом и требующие создания карты контроля.
Не смотря на широкое разнообразие материалов покрытий и оснований все множество их сочетаний можно объединить в 5 групп, в зависимости от отношения удельных электропроводностей
Методы и средства обработки первичной информации. Подавление мешающих параметров
Дифференциальные параметрические преобразователи находят свое применение в дефектоскопии для обнаружения несплошностей или неоднородностей в покрытии.
Дифференциальные трансформаторные преобразователи, так же как и абсолютные используются преимущественно в дефектоскопии. Основным преимуществом таких преобразователей является то, что сигнал с измерительных обмоток относительно не «зашумлен», что позволяет использовать усилители с большим коэффициентом усиления и, соответственно, обеспечить высокую чувствительность. Также подобные преобразователи используются для измерения толщины специальных покрытий с целью обеспечения приемлемой чувствительности, например, в приборах, реализующих амплитудный метод измерения толщины плакировки алюминием алюминиевых сплавов [56].
Для задач контроля толщины электропроводящих неферромагнитных покрытий на изделиях из электропроводящих неферромагнитных материалах наиболее эффективно применение накладных ВТП. Использование накладных ВТП упрощает процедуру проведения измерений и сокращает необходимую номенклатуру преобразователей. На рисунке 3.2 представлены возможные варианты исполнений первичных накладных ВТП.
Для измерения толщины металлических покрытий на практике наиболее часто применяются абсолютные и трансформаторные скомпенсированные накладные ВТП с ферритовым сердечником и с ферритовым экраном или без него.
Преобразователи с ферритовыми стержневыми сердечниками позволяют концентрировать магнитное поле, увеличивают индуктивность обмотки, абсолютное значение и приращение величины сигнала преобразователя. Магнитное поле ВТП 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 из за изменения относительного и относительного эквивалентного зазора. Благодаря этому у ВТП с ферритовым сердечником больше чувствительность к информативным параметрам и лучше отстройка от влияния мешающих параметров, чем у аналогичных преобразователей без ферритовых сердечников. торные абсолютные трансформа- трансформаторные скомпенсированные без ферритового сердечника
Основным достоинством преобразователей с внешним ферритовым экраном является четкая граница зоны измерения, которая равна диаметру экрана. В качестве внешних экранов используются чашечные и полуброневые сердечники или кольцевые и трубчатые сердечники, Варианты конструкции преобразователей с внешним ферритовым (ферромагнитным) экраном: а) - с использованием полуброневого сердечника; б) - со стержневым ферритовым сердечником и экранирующим ферритовым кольцом; в) - со стержневым ферритовым сердечником, помещенным внутрь ферритовой трубки
Основным недостатком ферритов является их сильная нелинейная зависимость начальной магнитной проницаемости от температуры. Как следствие, изменение температуры феррита, неравномерный нагрев или охлаждение могут приводить к искажениям сигналов ВТП или нарушение его разбалансировки. Это особенно критично для ВТП с раздельными сердечниками измерительной и компенсационной обмоток. Для устранения влияния температурного дрейфа параметров ферритов на результаты измерений необходимо осуществлять слежение за сигналом ВТП в отсутствии ОК (слежение за сигналом на воздухе). Слежение за сигналом ВТП на воздухе и применение алгоритмов автокалибровки преобразователя позволяет исключить появление дополнительной погрешности измерения в следствии изменения температуры окружающей среды в диапазоне от -5 до +35 С.
Вторым существенным недостатком использования ферритов в конструкции чувствительного элемента ВТП является сильное влияние взаимного расположения феррита и обмоток на выходное напряжение преобразователя. Даже незначительное смещение обмоток относительно феррита может вызвать сильное искажение формы выходного напряжения преобразователя. Поэтому чувствительный элемент ВТП помещается в замкнутый цилиндрический объем и заливается высокопрочным компаундом.
Высокая чувствительность к изменению относительного зазора h между ВТП и ОК необходима лишь для измерителей толщины лакокрасочных и других диэлектрических покрытий. В предыдущей главе было показано, что относительный зазор /г и другие геометрические мешающие параметры, которые могут быть сведены к эквивалентному относительному зазору /гэ , оказывают наиболее сильное влияние на сигнал ВТП при контроле толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий. Существует несколько способов уменьшения влияния зазора и других мешающих параметров, однако наиболее перспективными для задач измерения толщины электропроводящих покрытий являются фазовый и амплитудно-фазовый способы.
Фазовый метод вііхретокового вида неразрушаюгцего контроля толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях Фазовый способ уменьшения влияния зазора основан на том, что в некотором диапазоне изменения величины зазора изменяется только амплитуда вектора вносимого напряжения, а его фаза остается постоянной. Для пояснения реализации метода уменьшения влияния зазора на результаты измерений фазовым способом, рассмотрим годограф комплексного относи о тельного вносимого напряжения U m для задачи измерения толщины серебряного покрытия на титане (Agi), представленной на рисунке 3.4 [73].
Поверочная схема толщиномеров неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях. Выбор характеристик и установление номенклатуры наборов мер толщины покрытий
Рассмотрим схему модели покрытия для детерминированного профиля поверхности основания и покрытия меры. Согласно [6] детерминированный профиль имеет периодическое сочетание неровностей определенной формы и его можно описать периодической функцией.
В зависимости от различных факторов, характеризующих нанесение покрытия, результирующий профиль покрытия может отличаться от профиля основания, т.е происходит выравнивание профиля исходной поверхности. Обычно рассматривается три степени выравнивания: отрицательное В 0 (увеличение шеро 100 ховатости покрытия), нулевое В= 0 и положительное В 0 (уменьшение шероховатости покрытия). Для дальнейшего анализа, модель толщины покрытия примем в виде тела определенной протяженности, ограниченного двумя поверхностями, имеющими определенную шероховатость (рисунок 4.4).
Схема модели покрытия для детерминированного профиля поверхности основания и покрытия меры fn(x),f0(x) - функции, описывающие профили поверхности покрытия и основания соответственно; 1 - средняя плоскость профиля основания
При рассмотрении модели приняты следующие допущения: профили поверхностей покрытия и основания выражены периодическими детерминированными функциями/,(х), ,(х); детерминированные периодические функции /п(х) и /0(х) имеют одинаковый вид и их фазы совпадают.
Истинная толщина покрытия Тп в произвольной точке Р на поверхности покрытия будет равна кратчайшему расстоянию от точки Р до точки О на поверхности основания [5]. Расстояние между точкой Р(хр,ур) и любой точкой профиля основания описывается выражением: координата точки на поверхности покрытия; ±Ах - область на оси абсцисс относительно координаты хр, на которой определяется минимум; х - переменная, характеризующая участок покрытия.
Из данного выражения можно найти значение Г„ и координаты (х0, у0) точки Ок на поверхности основания, соответствующие толщине покрытия в точке Р.
Зависимость толщины покрытия Тп от аргумента х можно обозначить функцией Г=ф(х). Для среднего значения толщины покрытия Тп на участке ха х хь можно записать:
Анализ функции ф(х) [6] показывает, что в рассмотренных выше случаях она достигает своих экстремальных значений на периоде при следующих условиях формирования покрытия на основании меры:
Если принять y=fo(x)=0, что соответствует гладкой поверхности основания, то из (4.2) получим: Данная функция имеет минимум при хр-х=0, откуда x=xv. Тогда Тп = /и(хр), т.е равна расстоянию от точки Р(хр,ур) покрытия до основания по нормали к поверхности основания (к линии 1 рисунок 4.4).
Если принять f0(x)=C=const и / (x Z const, что соответствует гладким плоским поверхностям, и -8=0, то получим ip(x)=D-C=K=const, т.е. для принятых условий толщина покрытия постоянна в любой точке покрытия и равна расстоянию между покрытием и основанием по нормали. Это условие является наиболее благоприятным для формирования покрытия на мере при разработке технических требований для МТП.
Вышеприведенный анализ справедлив для теоретической модели при условии оценки толщины покрытия в точке на поверхности покрытия. Реальная поверхность основания и покрытия меры не может быть описана детерминированными функциями. На практике шероховатость поверхности представляет собой случайную функцию, которая с достаточной для практических целей точностью подчиняется нормальному закону распределения. Применимость нормального закона распределения для нерегулярной шероховатости доказана работами Витен-берга Ю.Р., Левина А.И., Немировского Я,А., Лукьянова B.C., и рядом других авторов. Данное обстоятельство, однако, не гарантирует, что распределение истиной толщины покрытия будет также подчиняться нормальному закону распределения. Можно ожидать, что для различных методов механической обработки оснований и технологий получения покрытий, вид распределения толщины покрытия окажется отличным от нормального, например, распределением Максвелла, как это имеет место для отклонений формы и расположения поверхностей, или другими распределениями [77].
Процесс измерения происходит при установке контактной поверхности преобразователя на покрытие, при этом он располагается по вершинам микронеровностей. Зона измерения ВТП определяется площадью его электромагнитного поля, на которой производится интегральная оценка толщины покрытия. Следует учитывать, что зона измерения реального ВТП составляет как минимум 1-2 мм и не может считаться пренебрежимо малой по сравнению с микронеровностями профиля поверхности меры. Поэтому, при измерении толщины покрытия любыми методами, результат измерения Tmsi является усредненной величиной [6].
МТП представляет собой физическое тело, воспроизводящее размер толщины покрытия и состоит из покрытия и основания, связанных между собой адгези 108 ей либо другим способом соединения. Кроме того, мера, передавая размер физической величины (мкм) вихретоковому толщиномеру, должна одновременно нести информацию о свойствах материала покрытия и основания. В связи с этим мера также предназначена для хранения, воспроизведения и передачи параметра удельной электропроводности материала основания и покрытия. В общем случае МТП для вихретоковых толщиномеров представляют собой прецизионные средства измерений, поэтому их изготовление связано с определенными трудностями. Технологический процесс изготовления мер состоит из следующих основных операций и технологических приемов:
Изготовление заготовок оснований мер осуществляется из одного прутка материала методами механической обработки: точение, фрезерование, сверление. Заключительной операцией механообработки является финишное шлифование.
Для обеспечения требуемых параметров по плоскостности и качеству подготовки поверхностей мер, основания подвергают операции доводки. Доводка осуществляется на доводочных станках или вручную на доводочных плитах с использованием алмазного абразива различной зернистости. Контроль отклонения от плоскостности осуществляется интерференционным методом. Контроль шероховатости производится профилометром со встроенной прямолинейной базой.
Похожие диссертации на Вихретоковые методы измерения толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях
-
