Устройства бесконтактного контроля токопроводящих покрытий топливных баков летательных аппаратов Самсонов Александр Сергеевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Анализ объекта исследования, методов и технических средств контроля токопроводящих покрытий топливных баков летательных аппаратов 9

1.1 Топливные баки ракетно-космических аппаратов и безопасность их эксплуатации 9

1.2 Основные виды токопроводящих покрытий и классификация их дефектов 14

1.3 Классификация и обзор методов и устройств контроля токопроводящих покрытий топливных баков 21

1.4 Основные проблемы и направления развития методов и технических средств контроля токопроводящих покрытий топливных баков 29

1.5 Выводы по разделу 1 42

2 Теоретические основы емкостных методов и устройств контроля целостности токопроводящих покрытий топливных баков летательных аппаратов 44

2.1 Обобщённая физико-математическая модель бесконтактного емкостного контроля целостности токопроводящих покрытий 44

2.2 Расчёт и анализ электрического поля многослойной структуры при наличии замкнутых дефектов. Конечно-разностные методы решения 50

2.3 Аналитические методы расчёта функции преобразования датчика замкнутых дефектов токопроводящих покрытий 64

2.4 Имитационное моделирование динамического режима сканирования поверхности топливного бака и фиксации области дефекта 73

2.5 Выводы по разделу 2 83

3 Элементная база, схемотехника и алгоритмы обработки информации в устройствах контроля целостности токопроводящих покрытий топливных баков летательных аппаратов 84

3.1 Обобщённая структурная схема и элементная база устройств контроля целостности токопроводящих покрытий з

3.2 Методы и схемы обработки сигналов при емкостных измерениях 96

3.3 Выводы по разделу 3 106

4 Метрологический анализ устройств контроля целостности токопроводящих покрытий топливных баков летательных аппаратов 107

4.1 Структура погрешностей и специфика их оценки в устройстве контроля токопроводящих покрытий. Основные погрешности 107

4.2 Дополнительные и динамические погрешности 113

4.3 Методы повышения точности и стабильности устройства контроля целостности токопроводящих покрытий 122

4.4 Выводы по разделу 4 125

5 Экспериментальные исследования устройства бесконтактного контроля токопроводящих покрытий топливных баков летательных аппаратов 126

5.1 Цель и задачи экспериментальных исследований. Разработка программы испытаний 126

5.2 Результаты испытаний макетного образца устройства контроля токопроводящего покрытия 128

5.3 Выводы по разделу 5 135

Заключение 136

Список литературы

• Классификация и обзор методов и устройств контроля токопроводящих покрытий топливных баков
• Имитационное моделирование динамического режима сканирования поверхности топливного бака и фиксации области дефекта
• Методы и схемы обработки сигналов при емкостных измерениях
• Методы повышения точности и стабильности устройства контроля целостности токопроводящих покрытий

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Оперативный и достоверный контроль токопроводящих покрытий (ТПП) топливных баков ракетно-космических аппаратов является важной задачей, связанной с проблемами их безопасной эксплуатации, транспортировки и обслуживания, особенно при использовании криогенных топлив. Поверхность топливных баков, как правило, покрывается теплоизоляцией. ТПП наносится на теплоизоляционный материал в целях предотвращения накопления на нём статического электричества в соответствии с ГОСТ, согласно которому необходимо металлизировать части конструкций, которые образуют внешний контур изделия с площадью поверхности более 0,20 м², а при использовании в качестве топлива водорода – с площадью более 0,02 м². На ТПП наносится лакокрасочное покрытие, что исключает визуальные и контактные методы контроля её целостности. В процессе эксплуатации изделия, во время технологических перекладок и обслуживания возможно появление на ТПП замкнутых трещин, либо участков без покрытия. На дефектных участках ТПП скапливаются заряды статического электричества, которые могут привести к образованию разрядной искры и возгоранию изделия. Для обеспечения сохранности изделия, наземного комплекса и людей необходим контроль целостности ТПП.

Степень разработанности темы. Известны различные методы

неразрушающего контроля металлических изделий, в том числе радиационные,
тепловые, ультразвуковые, магнитные, вихретоковые. Однако эти методы имеют
существенные ограничения, особенно при контроле многослойных

крупногабаритных изделий. Например, радиационные методы требуют биологической защиты, ультразвуковые – требуют механического контакта, вихретоковые очень критичны к толщине и равномерности ТПП. На крупногабаритных изделиях, таких как бак летательного аппарата, колебания толщины ТПП составляют 0,005-0,010 мм, что делает применение вихретоковых методов практически невозможным. Кроме того, вихретоковые методы обеспечивают обнаружение всех имеющихся дефектов, что нецелесообразно для решения поставленной задачи и увеличивает время контроля, снижает производительность труда.

Большой вклад в развитие теории, проектирования и освоения емкостных
датчиков внесли отечественные научно-технические организации:

МГТУ им. Н. Баумана, ПГ «Метран» (г. Челябинск), АО «НИИФИ» (г. Пенза), ГК «ПРОМПРИБОР», Всероссийский научно-производственный институт автоматики им. Н.Л. Духова, НПО «Измерительная техника» (г. Королев), а также зарубежные: Honeywell International Inc., Fisher-Rоsemount Inc. (США), Denso Corporation, Yokogawa Electric Corporation, Motorola, Matsushita Electronic Ind. Co, Hitachi Ltd, Alps Electric Co Ltd (Япония). Современные методы бесконтактного контроля изделий сформировались на базе исследовательских работ и изобретений известных ученых: Е.П. Осадчего, Д.И. Агейкина, А.С. Левицкого, Е.А. Мокрова, В.П. Бухгольца, Э.Г. Тисевича, Б.М. Тареева, В.В. Клюева, В.А. Ацюковского, А.И. Тихонова, В.А. Тихоненкова, Г. Виглеба, И. Форейта, Ю.Я. Иоселя, Л.Ф. Куликовского, В.С. Мелентьева, Н.Е. Конюхова, К.Л. Куликовского, Ю.B Стеблева, В.И. Батищева и включает в себя разработку и исследование созданных автором оригинальных устройств контроля ТПП.

В работе уделено внимание теоретическому исследованию процесса
формирования сигнала при идентификации дефекта, описанию динамического
режима сканирования и анализу информационно-метрологических

характеристик устройства.

Цель и задачи работы. Целью работы является улучшение технических характеристик устройств бесконтактного контроля целостности ТПП топливных баков ракетно-космических аппаратов.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:

1. Анализ существующих методов и устройств контроля целостности ТПП топливных баков и выявление основных направлений их развития.

2. Разработка физико-математической модели бесконтактного емкостного контроля целостности ТПП. Определение функции преобразования датчика.

3. Имитационное моделирование динамического режима сканирования поверхности топливного бака и локализации области дефекта.

4. Разработка структурных, функциональных схем устройств контроля, конструкций и алгоритмов обработки сигналов.

5. Метрологический анализ и исследование влияния климатических факторов на характеристики разработанных устройств.

6. Экспериментальные исследования, разработка методов повышения точности контроля.

Научная новизна:

7. Разработана функция преобразования емкостного датчика контроля целостности ТПП, основанная на моделировании и расчете электрического поля многослойной структуры с учётом полей рассеивания, содержащей различные виды дефектов.

8. Разработана и исследована компьютерная динамическая модель устройства контроля ТПП, с возможностью исследования влияния скорости сканирования, климатических и конструкционных факторов, нестабильности воздушного зазора на процесс формирования информационного сигнала.

9. Получены аналитические выражения, определяющие метрологические характеристики устройства контроля ТПП, связывающие между собой скорость сканирования, конструкционные параметры и погрешности комплектующего оборудования.

Теоретическую и практическую значимость работы составляют:

10. Теоретическое обоснование возможности использования емкостных методов для контроля изолированных дефектов ТПП.

11. Действующий макетный образец устройства контроля ТПП.

12. Структурные и функциональные схемы системы контроля, техническое задание на выполнение опытно-конструкторской работы предприятием АО «РКЦ «Прогресс», созданное с использованием материалов диссертации.

13. Рекомендации по улучшению технических характеристик устройства контроля ТПП.

14. Алгоритмы и программы обработки сигналов. Схемы, иллюстрирующие возможности реализации разработанных технических решений.

Методология и методы исследования. При решении поставленных задач использовались: теория электрического поля, методы дифференциального и интегрального исчислений, теория погрешностей. При моделировании и проведении численных расчетов на ЭВМ использовались пакеты MATHCAD и MATLAB-SIMULINK.

Положения, выносимые на защиту:

15. Функция преобразования емкостного датчика контроля целостности ТПП, основанная на моделировании и расчёте электрического поля многослойной структуры с учётом полей рассеивания, содержащей различные виды дефектов.

16. Компьютерная динамическая модель устройства контроля ТПП с возможностью исследования влияния скорости сканирования, климатических и конструкционных факторов, нестабильности воздушного зазора на процесс формирования информационного сигнала.

17. Аналитические выражения, определяющие метрологические характеристики устройства контроля ТПП, связывающие между собой скорость сканирования, конструкционные параметры и погрешности комплектующего оборудования.

18. Результаты экспериментальных исследований и практической реализации разработанных устройств.

Степень достоверности и апробация результатов работы.

Достоверность результатов определяется экспериментальными исследованиями, подтверждающими основные теоретические положения работы, которые не противоречат известным положениям фундаментальной науки.

Работа выполнялась при поддержке федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 гг.» (соглашение от 01 августа 2014 г. № 14.574.21.0094).

Результаты работы доложены на Всероссийской научно-технической
конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники

(III Козловские чтения)» (г. Самара) в 2013 г., Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (г. Самара) в 2016 г.

По результатам исследований и разработок опубликовано 10 работ, в том
числе 3 статьи в рецензируемых журналах (рекомендованных ВАК РФ),
получено 4 патента, изготовлен макетный образец устройства контроля ТПП,
используемый в ООО «Аналитические приборы и системы». Материалы
диссертации используются на предприятии АО «РКЦ «Прогресс» при

выполнении опытно-конструкторской работы, а также в учебном процессе Самарского университета в курсовом и дипломном проектировании.

Все результаты, определяющие научную новизну работы, получены автором лично. Техническая реализация и экспериментальные исследования проведены совместно с сотрудниками НИЛ-54 «Аналитические приборы и системы» Самарского университета.

Диссертация изложена на 165 страницах, включает в себя 80 рисунков, 15 таблиц, 6 приложений. Список литературы содержит 93 источника. Основное содержание работы состоит из введения, пяти глав и заключения.

Классификация и обзор методов и устройств контроля токопроводящих покрытий топливных баков

При этом можно выделить пять видов дефектов: а) – замкнутая трещина, полностью находящаяся под лакокрасочным покрытием, б) – участок без ТПП размером больше допустимого, заполненный лакокрасочным покрытием, в) – замкнутая трещина, заполненная лакокрасочным покрытием (также как и в случае (а) образуется при покраске заранее повреждённого ТПП), г) – замкнутая трещина, не выходящая или частично выходящая на поверхность и имеющая во внутренней области дефект размером меньше допустимого по типу рисунка 1.6, заполненный лакокрасочным покрытием или другим изоляционным материалом, д) – участок без ТПП размером больше допустимого, заполненный лакокрасочным покрытием. Вариант д) является самым общим случаем. Отметим, что различные варианты дефектов могут сочетаться, например, внутренний дефект поверхности по типу г), может находиться в дефекте в). Кроме того внутри замкнутого дефекта может находиться группа точечных дефектов (рисунок 1.5). Дефект а) может частично или полностью выходить на поверхность через лакокрасочное покрытие.

Все указанные варианты дефектов могут влиять на динамику изменения сигнала в датчике и должны учитываться при разработке методов и устройств дефектоскопическом контроле целостности ТПП. Минимальный размер дефекта по площади составляет 0,02 м2, что в линейных размерах при квадратной форме 0,1х0,1 м. Ширина трещины 0,1-2,0 мм, толщина токопроводящего покрытия 0,1-0,2 мм, толщина лакокрасочного покрытия 0,05-0,1 мм, толщина теплоизоляции 30-40 мм, толщина стенки металлического бака 2-5 мм.

Подобные дефекты являются критическими, поскольку напрямую снижают пожаровзрывобезопасность топливного бака, поэтому подлежат обязательному выявлению на стадии выходного контроля качества готового изделия, а также после его транспортировки.

Выбор метода и устройства неразрушающего контроля для решения задач дефектоскопии, толщинометрии, структуроскопии и технической диагностики зависит от параметров контролируемого объекта и условий его обследования. Ни один из методов и устройств не является универсальным и не может удовлетворить в полном объеме всем требованиям.

При любом методе контроля о дефектах судят по косвенным признакам (характеристикам), свойственным данному методу. Некоторые из этих признаков поддаются измерению. Результаты измерения служат характеристиками выявленных дефектов и используются для их классификации.

Известно много разнообразных методов неразрушающего контроля металлических изделий, в том числе радиационные, тепловые, ультразвуковые, магнитные, вихретоковые [8, 9]. Однако эти методы имеют существенное ограничение, особенно при контроле многослойных крупногабаритных изделий. Так, например, радиационные методы требуют биологической защиты, ультразвуковые – требуют механического контакта, вихретоковые очень критичны к толщине и равномерности токопроводящего покрытия. На крупногабаритных изделиях, таких как бак летательного аппарата, колебания толщины токопроводящей плёнки составляют 0,005-0,01 мм, что делает применение вихретоковых методов практически невозможным из-за больших погрешностей. Кроме того, вихретоковые методы выявляют все дефекты подряд, что нецелесообразно для решения поставленной задачи и увеличивает время контроля, снижает производительность труда на производстве. Обзор и сравнительная оценка различных методов неразрушающего контроля приведена в таблице 1.5.

Из таблицы 1.5 в части применения метода неразрушающего контроля для проведения контроля целостности токопроводящего покрытия, расположенного под лакокрасочным покрытием, наиболее приемлемым является электроемкостной метод бесконтактного неразрушающего контроля. Принцип действия емкостного метода не зависит от толщины контролируемого слоя и весьма чувствителен к наличию замкнутых изолирующих трещин. Электроемкостной метод позволяет выявить участки под лакокрасочным покрытием без токопроводящего покрытия или участки токопроводящего покрытия без гальванической связи с остальным токопроводящим покрытием на топливных баках. Таблица 1.5 – Сравнительная оценка различных методов неразрушающего контроля Метод НК Оборудование Решаемые задачи Недостатки метода Возможность применения Оптический [19, 20] Источник излучения,приемное устройство,оптическая система Измерение сферичности,плоскостности, размеров дефектов,коэффициентов пропускания,отражения, поглощения и т. д. Требуется оптическое взаимодействие с контролируемым объектом Применениевозможно только приусловии прозрачностилакокрасочногопокрытия

Визуальный иизмерительный контроль[21] Лупа, линейки измерительные, щупы, угломеры, микрометры,эндоскопы, калибры, штангенциркули и т. д. Выявление деформаций,поверхностных трещин, расслоений,забоин, рисок, раковин и т. д. Субъективность оценки, высокое влияние человеческого фактора, обусловленное ограниченными возможностями зрения То же

Радиационный контроль [22, 23] Рентгеновские аппараты,источники рентгеновскогоизлучения,видеоконтрольноеоборудование Выявление трещин, раковин, непроваров, зазоров, перекосов,шлаковых включений и т. д. В связи с использованием излучениязакрытых источников на основе 60Со, 137Csи т.д. требуется при организации контролявыполнение требований:1) Санитарных правил работы срадиоактивными веществами и другимиисточниками ионизирующего излучения(ОСП72/87),2) Норм радиационной безопасности(НРБ-76/87),3) Санитарные правила при проведениирентгеновской дефектоскопии(СП 2191-80) Затруднителен дляконтроля большихповерхностей имногослойныхструктур.

Магнитный [24] Намагничивающееустройство,воспроизводящееустройство,размагничивающееустройство, блокформированиянамагничивающего тока,порошок изферромагнетиков и т. п. Регистрация магнитных полейрассеяния, возникающих наддефектами Только для парамагнитных материалов Не применим длямногослойныхструктур Продолжение таблицы 1. Метод НК Оборудование Решаемые задачи Недостатки метода Возможность применения

Вихретоковый [25, 26] Вихретоковый дефектоскоп Обнаружение поверхностных и подповерхностных дефектов Применение только дляобъектов контроля изтокопроводящих материалов Затруднён приконтроле большихповерхностей имногослойныхструктур

Акустический [27] Акустико-эмиссионная система: датчики,предварительные усилители, устройстварегистрации, обработки сигналов, устройствооперативного отображения и т. д. Обнаружение наличия течи,трещин, не проваров,участков с локальной иязвенной коррозией и т. д. Трудность выделения акустических волн из помех То же

Имитационное моделирование динамического режима сканирования поверхности топливного бака и фиксации области дефекта

Аналитическое решение уравнений (2.21)-(2.22) невозможно, так как рассматриваемое пространство, неоднородно. Аналитическая стыковка условий на границах сред громоздки. Решение целесообразно проводить численными методами, в частности методом конечных разностей. Для численного решения необходимо задаться конкретными размерами датчика, а также ограничиться размером пространства вокруг него, влияние которого в последующем можно оценить численным экспериментом. Общий подход к решению можно сформулировать следующим образом. 1) Задаться областью вокруг рассматриваемой плоской системы, считая ее неоднородной, имеющей разную проводимость a(x, z) и диэлектрическую проницаемость е(х, z) в каждой точке (рисунок 2.2). 2) Заданную область считать достаточно удаленной, настолько, что можно принять потенциал на ее границах равным нулю. 3) Разметить всю область конечно-разностной сеткой с координатами /, к и шагом hz , hx соответственно. Отметим, шаг сетки по координатам намеренно выбирается разным, так как реальные размеры по координате Х в 100 и более раз больше размеров по координате Z. 4) Всю систему описать идентификационным массивом Г(/Д), определяющим принадлежность точки к электродам Г 1 , Г2 к внутренним точкам Г3 , Г4 , Г5 , Г6 или к границам Го . Отметим, что в идентификационном массиве зона Г7 относится к области дефекта и может быть как проводящей, так и диэлектрической поверхностью, в зависимости от вида дефекта. Рисунок 2.2 – Иллюстрация к математической модели датчика в конечно-разностной форме 5) В каждой точке задать проводимость (i, k) и диэлектрическую проницаемость (i, k). 6) Так как утечка существует только в области электродов и внешних границ, то правая часть уравнений (2.22), (2.23) равна нулю во всех внутренних точках, заданных идентификационным массивом. Поэтому при расчётах напряжения во внутренних точках поля можно принять A(i, k)= B(i, k) = 0.

Наличие замкнутого дефекта предусмотрено наличием области Г7 , гальванически не связанной с токопроводящим покрытием Г1 . В процессе контроля на ней будет появляться потенциал, который будет влиять на все электрические процессы в структуре. Размеры и тип дефекта задаются значениями проводимости и диэлектрической проницаемости точек области Г7 .

При таком подходе расчет сводится к решению задачи расчета плоского поля [50] с граничными условиями Дирихле, задающими потенциалы поля на его границах и внутренних точках: U(Г6) = 0, U(Г1) = 0, U(Г2) = Um. Среди конечно-разностных наиболее эффективен метод последовательных итераций (метод Либмана) [51]. Согласно [51] уравнения (2.21), (2.22) в конечно-разностной форме примут вид: = №-u+VU2 + K +2 1 )/C , (2.24) ( T7 + т/7 )/zx + ( тш + тІУ )hz Uik= , (Z.ZJ) (єJ + єи )hx + (єш + єІУ )Л2 где і, k, hx , hz - индексы и шаг конечно-разностной сетки по координатам X и Z соответственно, сь сіь пь ІУ , ь єіь %ь ЄІУ - проводимости и диэлектрические проницаемости участков, находящихся между соседними с точкой (/, к) узлами сетки. Определяются через их значения в узлах сетки по формулам: і = 1, , , п = , (2.26) III = "/7 -1Л ",-, gy+1д ,-, / = , єд = , (2.27) Ъ-1 + Єі,к єі+1,и +Єі,к єі,к-1-і,к єі,к+1 -єі,к ш = , єп Уравнения (2.17), (2.18) аппроксимируют (2.13), (2.14) для внутренних точек поля. На границах члены с индексами (/±1), (к±\) не определены. На границах и на электродах вступают в силу граничные (задающие) условия: Гь Uit к = 0; Г2: Uit k = Um ; Г0: Uit к = 0. (2.28)

В системе (2.22), (2.23) искомыми параметрами являются: Uitk , U it к . Процесс Либмана заключается в том, что первоначально узлам сетки присваиваются начальные потенциалы 0 Ulk Um , которые затем итеративно уточняются по формулам (2.24), (2.25). Общий алгоритм расчета приведен на рисунке 2.3. Алгоритм включает в себя чтение массивов \оік\ [єік] массива начальных значений поля [ Лд], а также целочисленного массива идентификатора [Га], содержащего в себе информацию о размерах и конфигурации анализируемой области. Для этого точкам пленки присваиваются индексы (цифры), позволяющие определить принадлежность текущей точки (/, к) к границам или электродам.

Методы и схемы обработки сигналов при емкостных измерениях

При нажатии на кнопку начала моделирования блок 1 начинает производить отсчет времени моделирования. В свойствах блока мы можем выбрать интервал, с которым он отсчитывает время. Сигналы с блоков 1 и 2 поступают одновременно на блок 3. Блок 2 содержит массив данных, описывающий изменение скорости во времени. Блок 3 производит умножение параметров «скорость» и «время». Таким образом, на вход подсистемы 4 поступает координата начала электрода х.

Подсистема 4 производит остановку линейного сканирования при достижении электродом края контролируемой поверхности бака, выдачу команды на поворот бака на фиксированный угол и сигнала на перемещение датчика в обратном направлении. Указанная система команд повторяется до тех пор, пока контролируемый бак не сделает полный оборот относительно сканирующей платформы. Данное действие производится блоком 1, представляющим из себя логический элемент «If». Если значение координаты х и угол поворота ср меньше предельных значений, то сигнал проходит через подсистему без изменений, а если больше, то моделирование останавливается. При условиях удовлетворяющих продолжению моделирования сигнал, представляющий собой изменяющуюся во времени координату электрода, поступает в подсистемы 5 и 7, моделирующие работу ёмкостного датчика дефекта и датчика зазора. Блок 5 также содержит таблицу, задающую количество, размер, тип и расположение дефектов в токопроводящем покрытии при различных воздушных зазорах. При отсутствии дефектов выходной сигнал этого блока постоянен С = Const. На второй вход блока 5 поступает сигнал с блока 7, соответствующий величине воздушного зазора в датчике. Блок 7 представляет собой таблицу, содержащую массив данных, описывающих реальную форму поверхности бака. Используя заданную в нем таблицу преобразовывает последовательность зависящей от времени координаты х в последовательность, представляющую из себя изменение расстояния между сканирующим электродом и токопроводящим покрытием бака. Изменение данного расстояния может происходить по разным причинам: вмятины поверхности, полученные при транспортировке и перекладке бака; конструкционные изгибы, определяющие форму бака, что всегда имеет место быть на его краях; отклонения линии сканирования при погрешностях его установки на координатно-позиционирующем устройстве. При отсутствии указанных факторов выходной сигнал блока 7 есть величина постоянная d = Const. Описываемая схема позволяет проводить моделирование процедуры дефектоскопии, как при наличии, так и при отсутствии дефектов и вмятин.

Таким образом, на выходе блока 5 получаем сигнал, моделирующий емкость С датчика, который блоком 6 преобразуется в электрический сигнал U, один из параметров которого пропорционален емкости С. Это может быть амплитуда, фаза, частота или длительность импульса, в зависимости от конкретной схемы преобразования сигнала. Передаточная функция блока 6, как правило, моделируется инерционным звеном w,(p) = —-—, где статический коэффициент передачи к6 и постоянная времени Т6 определяются конкретными параметрами схемы преобразования и могут быть найдены экспериментально. Отметим, что вид функции W6(p) типичен для большинства схем обработки сигналов датчиков, так как соответствуют фильтру нижних частот, как правило, стоящих на входах усилительных и преобразовательных схем. По аналогичным соображениям выбирается W7(p), моделирующая инерционность датчика зазора. Выходной сигнал U датчика поступает на вход сравнивающего устройства 9, на другой вход которого подаётся сигнал U0 , соответствующий эталонному (бездефектному) состоянию поверхности ТПП. Отметим, что эталонное значение U0 формируется блоком 8 и зависит от величины зазора d, U0 = F9(d). Для поиска функции F9(d) обратимся к рисункам 2.8-2.10, 2.12. Из указанных рисунков, а также из формулы 2.52 видно, что номинальная емкость бездефектного участка зависит от зазора между электродами. При этом численное моделирование показало, что относительные изменения емкости при обнаружении дефекта не изменяются. Согласно (2.52) можно записать где k9 определяется размерами электрода, а также параметрами передаточной функции W7(p). При к7 = 1, к% = s0sS3, где SЭ - площадь сканирующего электрода. В частном случае для квадратного электрода размером b, SЭ = b2. Наиболее точно коэффициент k9, так же как и все другие параметры схемы на рисунке 2.25 определяются калибровкой. Разность AU = U0-U поступает на устройство обработки 10, которое определяет относительное отклонение сигналов, соответствующих эталонному и реальному значению ёмкостей по формуле —, анализирует это значение, и, если оно превышает допустимое у о (у у о), то выдает сигнал на устройство управления картриджем, которое делает метку на поверхности топливного бака о местоположении дефекта. Метка представляет собой сплошную линию, соответствующую ширине дефекта. Блок индикации и записи фиксирует изменение ёмкости и величины воздушного зазора в зависимости от координаты и времени.

Методы повышения точности и стабильности устройства контроля целостности токопроводящих покрытий

Среди дополнительных погрешностей, основные причины возникновения которых перечислены в предыдущем подразделе, важнейшей является температурная. Вопросы устранения влияния субъективных факторов в данной работе не рассматриваются, так как оговариваются условиями и методиками контроля. Температурная погрешность обусловлена изменением электрического сопротивления и диэлектрической проницаемости функциональных слоёв емкостного датчика от температуры. Ёмкость конденсаторов при различных температурах определяется температурной зависимостью диэлектрической проницаемости компонентов датчика, а так же изменением его линейных размеров - металлических обкладок и диэлектрика. Для оценки температурной зависимости емкости конденсатора служит температурный коэффициент емкости (ТКЕ), показывающий её изменение при увеличении температуры на 1 С [60]. 1 дС 0 1 «с = [ C -] (4 14) с Сдв и В общем случае ТКЕ емкостного датчика может быть положительным, отрицательным или близким к нулю. Если зависимость емкости от температуры носит линейный характер, то величину ТКЕ можно вычислить по формуле: С -С ac=T721\ [0 C-1], (4.15) где С1, Сг- емкости при температурах в\, в2 соответственно. Если зависимость емкости от температуры нелинейна, то указывают относительное изменение емкости при переходе от в\кв2: = C 2-C1 100 C 1 Характер зависимости емкости конденсатора от температуры обычно определяется характером температурной зависимости диэлектрической проницаемости диэлектрического слоя, то есть ТКг = ає. Кроме того, она обусловлена особенностями конструкции конденсатора и изменением его размеров при нагревании. Для плоского однослойного конденсатора квадратными обкладками, сторона которых равна b, согласно (2.52) имеем: влажности

Из рисунка видно, что в ожидаемых условиях эксплуатации в = 0-50 С в диапазоне влажности 10-80 % диэлектрическая проницаемость воздуха меняется в пределах ев = 1,0005-1,0014. Вычислим условный максимальный температурно 115 климатический коэффициент изменения диэлектрической проницаемости по формуле, аналогичной (4.15) а" = є (в -б ) = 0,18 10 4 [1/С]. (420) Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости органических и неорганических диэлектриков составляет осЕ = (5 10)-10-4[1/q. Для обычных металлов и сплавов величина аэ =(0,15 0,30)-10"4 [1/q. У неорганических диэлектриков ccd = (0,05 0,1)-10-4[1/q Для органических диэлектриков ocd = (0,50-1,0)-10"4 [1/q. Все составляющие в формуле (4.19) соизмеримы. Для многослойной структуры, емкость которой определяется по формуле где ah е - температурный коэффициент диэлектрической проницаемости к-го слоя, ah d - температурный коэффициент изменения толщины к-го слоя,и - число слоёв.

Оценим суммарный температурный коэффициент нашего датчика для максимального и минимального значения емкости в процедуре дефектоскопии. Для этого воспользуемся формулами (4.8). При максимальном значении емкости датчик имеет двухслойную структуру, состоящую из воздушного зазора еВ и лакокрасочного покрытия еЛ. При этом толщина воздушного слоя не изменяется, так как задается позиционно-координатным устройством, то есть ав d = 0.

Это значит, что при изменении температуры в диапазоне в = 50 С относительное изменение максимального значения ёмкости, согласно (4.15) составит— = асА6 = 0,033. При минимальном значении емкости имеем четырёхслойную структуру. В этом случае для суммарного температурного коэффициента емкостного датчика из (4.22) получим ас « 2аэ + " - +а +а +а - d d +dnCC +d = 8,1-10 4 [l/q 4 dB+dJI+dn+dT L J Это приводит к относительному изменению минимального значения ёмкости на величину— = асАв = 0,045. Таким образом, все температурные изменения емкости в ожидаемых условиях эксплуатации при сканировании электрода над поверхностью топливного бака будут находиться в пределах (3,3 — 4,5) %. Согласно рисунку 4.2, это приведёт к погрешности определения координаты дефекта Ах 1 мм. Все значения вычислены при аэ =апл =0,3-10 4, « =1,0-10 , аВе =0,18-10 4, dB = 2,0 мм, dТ = 40,0 мм, dЛ = dП = 0,1 мм, ал,е = ап,є = ат,є =10-10 , что соответствует самому неблагоприятному случаю. Более существенными являются динамические погрешности, которые определяются инерционностью процессов изменения емкости и схем обработки информационных сигналов. Процедура дефектоскопии ТПП предполагает перемещение электрода (датчика) над поверхностью бака с некоторой скоростью, которая определяет общее время контроля изделия, но ограничена допустимой величиной динамической погрешности, неизбежно возникающей в процессе сканирования.

Принцип возникновения динамической погрешности иллюстрируется рисунками 2.23, 2.24, полученных на основе расчетов по динамической модели процесса дефектоскопии, изложенной в подразделе 2.4. Здесь видно, при увеличении скорости сканирования V и постоянных времени звеньев обработки сигналов Т уменьшается минимальное значение емкости, соответствующее наличию дефекта на поверхности. Также смещается координата центра дефекта. Очевидно, что при V — оо или Т —оо разность между максимальным и минимальным значениями емкости стремится к нулю (ЛС0 = СМАХ - Сшм) 0. Рассмотрим методику определения динамической погрешности. При выбранном пороге С и каких-то значениях V и Т возникнет ситуация, когда соотношение (4.3) не будет выполняться для всех видов дефектов. При этом наиболее сложная ситуация возникает при идентификации дефекта, по размеру близкому к минимальному. Электрод может «проскочить» дефект, при этом емкость не успеет измениться на величину, большую порогового значения С.